پروتون یک ذره زیراتمی پایدار، نماد P، H+ یا 1H+ با بار الکتریکی مثبت +1 e (بار اولیه) است. جرم آن کمی کمتر از جرم یک نوترون و 1836 برابر جرم یک الکترون (نسبت جرم پروتون به الکترون) است. پروتون‌ها و نوترون‌ها، هر کدام با جرم تقریباً یک واحد جرم اتمی، به طور مشترک به عنوان “نوکلئون” (ذرات موجود در هسته‌های اتمی) شناخته می‌شوند.
یک یا چند پروتون در هسته هر اتم وجود دارد. آنها نیروی مرکزی الکترواستاتیکی جذابی را فراهم می کنند که الکترون های اتمی را به هم متصل می کند. تعداد پروتون ها در هسته ویژگی تعیین کننده یک عنصر است و به عنوان عدد اتمی (که با نماد Z نشان داده می شود) نامیده می شود. از آنجایی که هر عنصر دارای تعداد منحصر به فرد پروتون است، هر عنصر دارای عدد اتمی منحصر به فرد خود است که تعداد الکترون های اتمی و در نتیجه ویژگی های شیمیایی عنصر را تعیین می کند.
کلمه پروتون یونانی به معنای “اول” است و این نام را ارنست رادرفورد در سال 1920 به هسته هیدروژن داد. در سال های گذشته، رادرفورد کشف کرده بود که هسته هیدروژن (که سبک ترین هسته شناخته می شود) را می توان از هسته ها استخراج کرد. نیتروژن توسط برخوردهای اتمی. بنابراین پروتون‌ها کاندیدای تبدیل شدن به یک ذره بنیادی یا بنیادی و از این رو بلوک ساختمانی از نیتروژن و سایر هسته‌های اتمی سنگین‌تر بودند.
اگرچه پروتون ها در ابتدا ذرات بنیادی در نظر گرفته می شدند، در مدل استاندارد مدرن فیزیک ذرات، پروتون ها اکنون به عنوان ذرات مرکب شناخته می شوند که حاوی سه کوارک ظرفیت هستند و همراه با نوترون ها اکنون به عنوان هادرون طبقه بندی می شوند. پروتون ها از دو کوارک بار + تشکیل شده اند2/3e و یک کوارک پایین بار -1/3e. بقیه توده‌های کوارک‌ها تنها حدود 1 درصد از جرم پروتون را تشکیل می‌دهند. باقیمانده جرم پروتون به دلیل انرژی اتصال کرومودینامیک کوانتومی است که شامل انرژی جنبشی کوارک ها و انرژی میدان های گلوئونی است که کوارک ها را به یکدیگر متصل می کند. از آنجایی که پروتون ها ذرات بنیادی نیستند، اندازه قابل اندازه گیری دارند. ریشه میانگین شعاع بار مربعی یک پروتون حدود 0.84-0.87 fm (1 fm = 10-15 متر) است. در سال 2019، دو مطالعه مختلف، با استفاده از تکنیک‌های مختلف، این شعاع را 0.833 fm، با عدم قطعیت ± 0.010 fm نشان دادند.
پروتون های آزاد گهگاه در زمین رخ می دهند: طوفان های رعد و برق می توانند پروتون هایی با انرژی تا چند ده مگا الکترون ولت تولید کنند. در دماها و انرژی های جنبشی به اندازه کافی پایین، پروتون های آزاد به الکترون ها متصل می شوند. با این حال، شخصیت چنین پروتون های متصل تغییر نمی کند، و آنها پروتون باقی می مانند. یک پروتون سریع که در ماده حرکت می کند در اثر برهمکنش با الکترون ها و هسته ها کند می شود تا زمانی که توسط ابر الکترونی یک اتم دستگیر شود. نتیجه یک اتم پروتونه شده است که یک ترکیب شیمیایی هیدروژن است. در خلاء، هنگامی که الکترون‌های آزاد وجود دارند، یک پروتون به اندازه کافی کند ممکن است یک الکترون آزاد را جذب کند و به یک اتم هیدروژن خنثی تبدیل شود که از نظر شیمیایی یک رادیکال آزاد است. چنین “اتم های هیدروژن آزاد” تمایل دارند با بسیاری از انواع دیگر اتم ها در انرژی های به اندازه کافی کم واکنش شیمیایی نشان دهند. هنگامی که اتم های هیدروژن آزاد با یکدیگر واکنش می دهند، مولکول های هیدروژن خنثی (H2) را تشکیل می دهند که رایج ترین جزء مولکولی ابرهای مولکولی در فضای بین ستاره ای هستند.
پروتون‌های آزاد معمولاً برای شتاب‌دهنده‌ها برای پروتون درمانی یا آزمایش‌های مختلف فیزیک ذرات استفاده می‌شوند که قوی‌ترین نمونه آن برخورد دهنده بزرگ هادرون است.
شرح
پروتون ها اسپین هستند1/2 فرمیون‌ها و از سه کوارک ظرفیتی تشکیل شده‌اند، که آنها را باریون‌ها (نوعی فرعی از هادرون‌ها) می‌سازند. دو کوارک بالا و یک کوارک پایین یک پروتون توسط نیروی قوی با واسطه گلوئون ها در کنار هم نگه داشته می شوند. گلوئون ها و جفت های گذرا کوارک های دریایی. پروتون ها دارای توزیع بار مثبت هستند که تقریباً به صورت نمایی تجزیه می شود، با شعاع بار متوسط ریشه در حدود 0.8 fm.
پروتون ها و نوترون ها هر دو نوکلئون هستند که ممکن است توسط نیروی هسته ای به یکدیگر متصل شده و هسته های اتمی را تشکیل دهند. هسته رایج ترین ایزوتوپ اتم هیدروژن (با نماد شیمیایی “H”) یک پروتون تنها است. هسته های ایزوتوپ های هیدروژن سنگین دوتریوم و تریتیوم به ترتیب حاوی یک پروتون متصل به یک و دو نوترون هستند. تمام انواع دیگر هسته های اتمی از دو یا چند پروتون و تعداد متفاوتی از نوترون ها تشکیل شده اند.
تاریخ
مفهوم ذره هیدروژن مانند به عنوان ترکیبی از اتم های دیگر در یک دوره طولانی توسعه یافته است. در اوایل سال 1815، ویلیام پروت پیشنهاد کرد که همه اتم‌ها از اتم‌های هیدروژن (که او آنها را “پروتایل” نامید) تشکیل شده‌اند، بر اساس تفسیری ساده‌گرایانه از مقادیر اولیه وزن‌های اتمی (به فرضیه پروت مراجعه کنید)، که وقتی مقادیر دقیق‌تر مشخص شد، رد شد. اندازه گیری شد.
ارنست رادرفورد در اولین کنفرانس سالوی، 1911
پروتون در یک محفظه ابر ایزوپروپانول شناسایی شد
در سال 1886، یوگن گلدشتاین پرتوهای کانالی (همچنین به عنوان پرتوهای آند شناخته می شود) را کشف کرد و نشان داد که آنها ذرات با بار مثبت (یون) تولید شده از گازها هستند. با این حال، از آنجایی که ذرات گازهای مختلف مقادیر متفاوتی از نسبت بار به جرم (q/m) داشتند، برخلاف الکترون‌های منفی کشف‌شده توسط J. J. Thomson، نمی‌توان آنها را با یک ذره شناسایی کرد. ویلهلم وین در سال 1898 یون هیدروژن را به عنوان ذره ای با بالاترین نسبت بار به جرم در گازهای یونیزه شناسایی کرد.
پس از کشف هسته اتم توسط ارنست رادرفورد در سال 1911، آنتونیوس ون دن بروک پیشنهاد کرد که مکان هر عنصر در جدول تناوبی (عدد اتمی آن) برابر با بار هسته ای آن است. این به طور تجربی توسط هنری موزلی در سال 1913 با استفاده از طیف های اشعه ایکس تأیید شد.
در سال 1917 (در آزمایش‌هایی که در سال‌های 1919 و 1925 گزارش شد)، رادرفورد ثابت کرد که هسته هیدروژن در هسته‌های دیگر وجود دارد، نتیجه‌ای که معمولاً به عنوان کشف پروتون توصیف می‌شود. این آزمایش‌ها پس از آن شروع شد که رادرفورد متوجه شد که وقتی ذرات آلفا به هوا شلیک می‌شوند (عمدتاً نیتروژن)، آشکارسازهای سوسوزن او نشانه‌هایی از هسته‌های هیدروژن معمولی را به عنوان محصول نشان می‌دهند. پس از آزمایش، رادرفورد واکنش به نیتروژن موجود در هوا را ردیابی کرد و دریافت که وقتی ذرات آلفا به گاز نیتروژن خالص وارد می‌شوند، تأثیر آن بیشتر است. رادرفورد در سال 1919 فرض کرد که ذره آلفا فقط یک پروتون را از نیتروژن جدا می کند و آن را به کربن تبدیل می کند. پس از مشاهده تصاویر اتاق ابر بلکت در سال 1925، رادرفورد متوجه شد که ذره آلفا جذب شده است. پس از گرفتن ذره آلفا، یک هسته هیدروژن به بیرون پرتاب می شود، بنابراین اکسیژن سنگین، نه کربن، نتیجه می شود – یعنی عدد اتمی Z هسته به جای کاهش، افزایش می یابد. این اولین واکنش هسته ای گزارش شده بود، 14N + α → 17O + p. رادرفورد در ابتدا “p” مدرن ما را در این معادله به عنوان یک یون هیدروژن، H+ در نظر گرفت.
بسته به دیدگاه فرد، ممکن است سال 1919 (زمانی که به طور تجربی از منبع دیگری غیر از هیدروژن مشتق شده است) یا 1920 (زمانی که به عنوان یک ذره بنیادی شناخته شد و پیشنهاد شد) به عنوان لحظه ای در نظر گرفته شود که پروتون “کشف” شده است.
رادرفورد هیدروژن را ساده‌ترین و سبک‌ترین عنصر می‌دانست و تحت تأثیر فرضیه پروت قرار گرفت که هیدروژن عنصر سازنده همه عناصر است. کشف اینکه هسته هیدروژن به عنوان یک ذره بنیادی در هسته های دیگر وجود دارد، رادرفورد را بر آن داشت تا به هسته هیدروژن H+ نام ویژه ای به عنوان ذره بدهد، زیرا او گمان می برد که هیدروژن، سبک ترین عنصر، تنها حاوی یکی از این ذرات است. او این بلوک بنیادی جدید هسته را پروتون نامید، پس از مفرد خنثی کلمه یونانی «اول»، πρῶτον. با این حال، رادرفورد همچنین کلمه protyle را همانطور که توسط Prout استفاده می شود در نظر داشت. رادرفورد در انجمن بریتانیایی برای پیشرفت علم در نشست کاردیف که در 24 اوت 1920 آغاز شد، سخنرانی کرد.در این جلسه، الیور لاج از او خواسته شد تا نام جدیدی برای هسته هیدروژن مثبت برای جلوگیری از اشتباه گرفتن با اتم هیدروژن خنثی، تعیین کند. او در ابتدا پروتون و پروتون را (بعد از پروت) پیشنهاد کرد. رادرفورد بعداً گزارش داد که جلسه پیشنهاد او مبنی بر نامگذاری هسته هیدروژن به نام پروتون را پذیرفته است. اولین استفاده از کلمه “پروتون” در ادبیات علمی در سال 1920 ظاهر شد.
ثبات
پروتون آزاد (پروتونی که به نوکلئون ها یا الکترون ها متصل نیست) یک ذره پایدار است که مشاهده نشده است که به طور خود به خود به ذرات دیگر تجزیه شود. پروتون‌های آزاد به‌طور طبیعی در موقعیت‌هایی یافت می‌شوند که در آنها انرژی یا دما به اندازه‌ای بالاست که آنها را از الکترون‌ها جدا کند، که آنها میل خاصی به آن دارند. پروتون‌های آزاد در پلاسماهایی وجود دارند که دمای آنها بسیار بالاست و اجازه نمی‌دهد با الکترون‌ها ترکیب شوند. پروتون های آزاد با انرژی و سرعت بالا 90 درصد پرتوهای کیهانی را تشکیل می دهند که در خلاء برای فواصل بین ستاره ای منتشر می شوند. در برخی از انواع نادر واپاشی رادیواکتیو، پروتون های آزاد مستقیماً از هسته اتم ساطع می شوند. پروتون ها نیز (به همراه الکترون ها و پادنوترینوها) از واپاشی رادیواکتیو نوترون های آزاد که ناپایدار هستند، به وجود می آیند.
فروپاشی خود به خودی پروتون های آزاد هرگز مشاهده نشده است و بنابراین پروتون ها طبق مدل استاندارد ذرات پایدار در نظر گرفته می شوند. با این حال، برخی از نظریه‌های یکپارچه بزرگ (GUTs) فیزیک ذرات پیش‌بینی می‌کنند که واپاشی پروتون باید با طول عمر بین 1031 تا 1036 سال اتفاق بیفتد و جستجوهای تجربی مرزهای پایین‌تری را بر میانگین طول عمر یک پروتون برای محصولات فروپاشی فرضی مختلف ایجاد کرده‌اند.
آزمایش‌ها در آشکارساز Super-Kamiokande در ژاپن، محدودیت‌های کمتری را برای میانگین عمر پروتون 6.6×1033 سال برای واپاشی به یک آنتی‌میون و یک پیون خنثی، و 8.2×1033 سال برای واپاشی به یک پوزیترون و یک پیون خنثی نشان داد. آزمایش دیگری در رصدخانه نوترینو سادبری در کانادا به دنبال پرتوهای گاما ناشی از هسته‌های باقیمانده حاصل از فروپاشی یک پروتون از اکسیژن-16 بود. این آزمایش برای تشخیص فروپاشی هر محصولی طراحی شد و حد پایین‌تری برای طول عمر پروتون 1029×2.1 سال تعیین کرد.
با این حال، پروتون ها از طریق فرآیند جذب الکترون (که واپاشی بتا معکوس نیز نامیده می شود) به نوترون تبدیل می شوند. برای پروتون های آزاد، این فرآیند به صورت خود به خود اتفاق نمی افتد، بلکه تنها زمانی رخ می دهد که انرژی تامین شود. معادله این است:
p+ + e− → n + νe
فرآیند برگشت پذیر است. نوترون‌ها می‌توانند از طریق واپاشی بتا، یک شکل رایج از واپاشی رادیواکتیو، دوباره به پروتون تبدیل شوند. در واقع، یک نوترون آزاد به این ترتیب با میانگین عمر حدود 15 دقیقه تجزیه می شود. یک پروتون همچنین می تواند از طریق واپاشی بتا به علاوه (واپاشی β+) به نوترون تبدیل شود.
طبق نظریه میدان کوانتومی، میانگین طول عمر مناسب پروتون ها زمانی محدود می‌شود که با شتاب مناسب شتاب بگیرند. یک احتمال ناپدید نشدن برای گذار ایجاد می کند p+ → n + e+ + νe. این موضوع در اواخر دهه 1990 نگران کننده بود زیرا یک اسکالر است که می‌تواند توسط ناظران اینرسی و شتاب‌دهنده اندازه‌گیری شود. در قاب اینرسی، پروتون شتاب دهنده باید طبق فرمول بالا تجزیه شود. با این حال، طبق نظر ناظر تسریع شده، پروتون در حالت سکون است و بنابراین نباید تجزیه شود. این معما با درک این موضوع حل می شود که در قاب هم شتاب، یک حمام حرارتی به دلیل اثر Fulling-Davies-Unruh وجود دارد، اثر ذاتی نظریه میدان کوانتومی. در این حمام حرارتی که توسط پروتون تجربه می‌شود، الکترون‌ها و پادنوترینوها وجود دارند که پروتون ممکن است بر اساس فرآیندهای زیر با آنها تعامل داشته باشد:
(i) p+ + e− → n + ν, (ii) p+ + ν → n + e+ and (iii) p+ + e− + ν → n. با اضافه کردن سهم هر یک از این فرآیندها، باید به دست آورد.
کوارک ها و جرم یک پروتون
در کرومودینامیک کوانتومی، نظریه مدرن نیروی هسته ای، بیشتر جرم پروتون ها و نوترون ها توسط نسبیت خاص توضیح داده می شود. جرم یک پروتون حدود 80 تا 100 برابر بیشتر از مجموع جرم های باقی مانده از سه کوارک ظرفیتی آن است، در حالی که جرم سکون گلوئون ها صفر است. انرژی اضافی کوارک ها و گلوئون ها در یک پروتون، در مقایسه با انرژی باقیمانده کوارک ها به تنهایی در خلاء QCD، تقریباً 99٪ از جرم پروتون را تشکیل می دهد. بنابراین، جرم باقیمانده یک پروتون، جرم ثابت سیستم کوارک‌ها و گلوئون‌های متحرک است که ذره را می‌سازند، و در چنین سیستم‌هایی، حتی انرژی ذرات بدون جرم محدود به یک سیستم هنوز به عنوان بخشی از آن اندازه‌گیری می‌شود. توده استراحت سیستم
برای اشاره به جرم کوارک‌هایی که پروتون‌ها را تشکیل می‌دهند، از دو اصطلاح استفاده می‌شود: جرم کوارک فعلی به جرم یک کوارک به خودی خود اشاره دارد، در حالی که جرم کوارک تشکیل‌دهنده به جرم کوارک فعلی به اضافه جرم میدان ذرات گلوئون در اطراف آن اشاره دارد. کوارک. این توده ها معمولاً مقادیر بسیار متفاوتی دارند. انرژی جنبشی کوارک‌ها که نتیجه محصور شدن است، سهمی است (به جرم در نسبیت خاص مراجعه کنید). با استفاده از محاسبات شبکه QCD، سهمی در جرم پروتون عبارتند از: چگالش کوارک (9% شامل کوارک‌های بالا و پایین و دریایی از کوارک‌های عجیب مجازی)، انرژی جنبشی کوارک (32%)، جنبشی گلوئون. انرژی (~ 37٪) و سهم گلوئونیکی غیرعادی (~23٪) که شامل سهم از میعانات همه طعم های کوارک است.
تابع موج مدل کوارک تشکیل دهنده برای پروتون است
دینامیک داخلی پروتون ها پیچیده است، زیرا آنها توسط کوارک ها در حال تبادل گلوئون ها و برهم کنش با میعانات خلاء مختلف تعیین می شوند. شبکه QCD روشی را برای محاسبه جرم پروتون به طور مستقیم از نظریه به هر دقتی در اصل ارائه می دهد. جدیدترین محاسبات ادعا می‌کنند که جرم با دقتی بهتر از 4%، حتی تا 1% دقت تعیین می‌شود . این ادعاها هنوز بحث برانگیز هستند، زیرا محاسبات را نمی توان با کوارک هایی به سبکی که در دنیای واقعی هستند انجام داد. این بدان معناست که پیش‌بینی‌ها با فرآیند برون‌یابی پیدا می‌شوند که می‌تواند خطاهای سیستماتیک را ایجاد کند. به سختی می توان گفت که آیا این خطاها به درستی کنترل می شوند، زیرا مقادیری که با آزمایش مقایسه می شوند، جرم هادرون ها هستند که از قبل مشخص شده اند.
این محاسبات اخیر توسط ابررایانه‌های عظیم انجام می‌شود، و همانطور که بوفی و پاسکوینی اشاره کردند: “توضیح دقیق ساختار نوکلئون هنوز وجود ندارد، زیرا … رفتار در فواصل طولانی نیاز به یک درمان غیرآشفتگی و/یا عددی دارد…” 43] رویکردهای مفهومی بیشتر به ساختار پروتون ها عبارتند از: رویکرد سالیتون توپولوژیکی که در اصل به دلیل تونی اسکایرم است و رویکرد AdS/QCD دقیق تر که آن را به یک نظریه ریسمان از گلوئون ها گسترش می دهد، مدل های مختلف الهام گرفته از QCD مانند مدل کیسه و مدل کوارک تشکیل دهنده، که در دهه 1980 محبوب بودند، و قوانین جمع SVZ، که امکان محاسبه تقریبی جرم را فراهم می کند. این روش‌ها دقت مشابهی با روش‌های QCD شبکه‌ای brute-force ندارند، حداقل هنوز.