مقدمه

اتم هیدروژن در واقع حالت مقید یک الکترون و یک پروتون است. هسته اتمی عناصر دیگر از پروتونها و نوترونهایی تشکیل می‌شود که با برهمکنشی قوی در قید یکدیگرند. پروتونهای آزاد را می‌توان هم در پرتوهای کیهانی یافت و هم با شتاب دهنده‌های ذرات تولید کرد. در آزمایشهای ویلهلم وین در سال 1898 و آزمایشهای متأخر جوزف تامسون در سال 1910، در میان ذرات یافت شده در جریانهای گازی یونیده ، ذره آلی با بار مثبت شناسایی شد که جرم آن تقریبا با جرم اتم هیدروژن بود.

در سال 1911 ارنست رادرفورد، در آزمایشهایی که در آنها که نیتروژن با ذرات آلفا بمباران می شد، دوباره با چنین ذرات باردار مثبتی روبرو شد و آنرا به عنوان هسته هیدروژن شناسایی کرد. تا سال 1920، او به این نتیجه رسیده بود که این ذره ، ذره بنیادی است و با توجه به این که واژه "protos" ، در زبان یونانی به معنی نخستین است، آنرا پروتون نامید تا موقعیت اولیه در خور اهمیت آن را در میان هسته‌های اتمی عناصر نشان دهد.

جرم پروتون

جرم پروتون برابر است با m_p = 938.272 MeV/C² = 1.6726X10^-27 Kg جرم پروتون 1836 برابر جرم الکترون است. برای مشاهده واپاشی پروتون به ذرات سبکتر ، جستجوی تجربی فراوانی انجام شده ، ولی تا به حال نتیجه‌ای حاصل نشده است. مستقل از مد واپاشی ، حد پایین طول عمر میانگین پروتون ، τ ، را می توان حدود 1025 سال دانست. عمر میانگین پروتون در بعضی از مدهای واپاشی خاص به حد بالاتری می‌رسد، برای مثال در واپاشی p → e⁺ + π₀ مقدار τ بزرگتر از 1032 سال است.

بار الکتریکی

بار الکتریکی پروتون مثبت است. این بار در مقایسه با بار الکترون مقداری مساوی و علامتی مخالف دارد. q_p = -q_e = -e شواهد تجربی نشان می‌دهد که ماده (از لحاظ بار الکتریبکی) خمثی است و در آن lim (|q_p + q_e|/e)<10²¹ است. حد گشت و در دو قطبی الکتریکی پروتون ، dp ، کمتر از ^7-10 emf است (1fm = 10^-15m) ، و میانگین مربعی شعاع بار پروتون که در آزمایشهای پراکندگی الکترون از پروتون بدست می‌آید، در حدود 0.72fm² است. پروتون دارای تکانه زوایه ای h/2 ، پاریته مثبت و گشتاور مغناطیسی 2.792847µN است (µN مگنتون هسته‌ای است).



نوترون ذره‌ای است که ساختارش شباهتهای فراوانی به ساختار پروتون دارد. تشابه جرم پروتونم و نوترونها ، در کنار یکسان بودن تکانه زاویه‌ای (اسپین) هر ذره یکسانی تقریبی برهمکنشی قوی میان پروتونها و برهمکنش قوی میان نوترونها ، به معنی مفهوم ایزوسپین منجر می‌شود. پروتون و نوترون را مشترکا نوکلئون می‌نامند. نوکلئون به دسته ذراتی که باریون نامیده می‌شود تعلق دارد. باریون تکانه زاویه‌ای نیمه صحیح (با یکای h) دارد. نوکلئون سبکترین باریون است.

پاد پروتون (ضد پروتون)

پروتون پاد ذره‌ای به نام پاد پروتون دارد. پاد پروتون را اوئن چمبرلین ، امیلیو سگره ، کلاید ویگاند و توماس یسپسیلانتیس در سال 1955 میلادی ، با استفاده از بواترون در آزمایشگاه تابش برکلی ، کشف کردند. پس از مدت زمان کوتاهی ، پاد نوترون نیز با استفاده از همین بواترون کشف شد.

ترتیب در هسته اتم

هسته هر اتمی از پروتونها و نوترونها (یا نوکلئونها) تشکیل می‌شود. و این نوکلئونها از طریق برهمکنش قوی با یکدیگر پیوند دارند. ترکیب پروتونها و نوترونها در هر هسته معین بصورت A _Z نشان داده نی شود که در آن ، A = Z+N است ، N و Z به ترتیب تعداد نوترونها و تعداد پروتونها است. تعداد پروتونها در هسته ، تعیین کننده تعداد الکترونهای اتم و در نتیجه تعیین کننده ویژگیهای اتمی (یا شیمیایی) است. در نمایش A _Z ، علامت Z را اغلب با نماد شیمیایی اتم جایگزین می‌کنند.

ایزوتوپها

ایزوتوپها هسته‌هایی هستند که تعداد پروتونهای آنها باهم برابر ، ولی تعداد نوترونهایشان باهم متفاوت است. برای مثال ، ایزوتوپهای پایدار کلسیوم (Z = 20) عبارتند از: ⁴⁸Ca ، ⁴⁶Ca ، ⁴⁴Ca ، ⁴²Ca ، ⁴⁰Ca. برای پایدارترین ایزوتوپهای عناصر سبک داریم : Z < N ، که این امر به دلیل قویتربودن برهمکنش پروتون - نوترون در مقایسه با برهمکنش پروتون - پروتون و نوترون - نوترون و همچنین به دلیل این است که انرژی جنبشی برای N = Z کمینه می‌شود. برای عناصر سنگینتر ، تأثیر دافعه کولنی بین پروتونها بطور نسبی مهمتر می‌شود و در نتیجه در پایدارترین ایزوتوپ داریم: N > Z.

خواص نوکلئونها در برقراری قوانین پایستگی و تعیین دقت آنها حائز اهمیت است. پایداری پروتون ، به مفهوم باریون منجر می‌شود. به نوکلئون و الکترون ، به ترتیب عددهای بار B_n = 1 و B_n = 0 نسبت می‌دهند. قاعده پایستگی عدد بار یونی ، همراه با این واقعیت که پروتون سبکترین باریون است، مانع از واپاشی پروتون می‌شود. با این همه نظریه وحدت بزرگ (GUT) پیش بینی می‌کند که بوزونهای پیمانه‌ای ابر سنگینی وجود دارند که در برهمکنش آنها ناپایستگی باریونها مجاز است، در نتیجه پروتون می‌تواند واپاشیده شود. حد تجربی طول عمر پروتون ، این مدلها را به شدت مقید می‌کند. برعکس الکترونها ، نوکلئونها ذرات بنیادی هستند.

کاربرد

برای مطالعه ساختار درونی پروتون و تولید ذرات جدید ، پروتون را تا انرژی حدود 106 Mev (معادل 1TeV) شتاب می‌دهند تا با الکترونها ، پروتونها یا هسته‌ها برخورد کند. پروتونهای شتابدار ، یا مستقیما از طریق نوترونهایی که در واکنشهای بعدی تولید می‌شوند. برای نابود کردن بافتهای سرطانی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. پروتونها ، بخش اصلی پروتونهای کیهانی را تشکیل می‌دهند. پروتونهای با انرژی بسیار زیاد ، وقتی که وارد لایه بالایی جو می‌شوند، سرانجام در برخورد با هسته‌ها ، رگباری ذره‌ای پدید می‌آورند که چون به زمین می‌رسند بطور تجربی قابل آشکار سازی هستند.

مباحث مرتبط با عنوان

• الکترون
• ایزوتوپ
• برهمکنش قوی
• عدد باریونی
• کرومودینامکیک کوانتومی
• کوارک
• گشتاور دو قطبی
• نظریه وحدت بزرگ
• نوترون
• نوکلئون
• هسته اتم

اگر یک یا چند الکترون از یک اتم خنثی جدا شود ، باقی مانده که یون (از واژه یونانی به معنی رفتن) نامیده می شود ، دارای باری مساوی با مجموع بار الکترونهای جداشده از آن اتم ، ولی با علامت مخالف، خواهد بود. وقتی که سبکترین اتمها یعنی هیدروژن ، تنها الکترونش را از دست می دهد ، یون تولید شده یک ذره بنیادی است که پروتون (از واژه یونانی به معنی نخستین) نام دارد. جرم پرتون 1836 برابر جرم الکترون و بار مثبت آن از لحاظ بزرگی برابر با بار منفی الکترون است. دریک لوله تخلیه الکتریکی ، اشعه کاتدی بر اثر برخورد با اتمهای گاز درون لوله، الکترونهای آنها را جدا کرده، یونهایی با بار مثبت ایجاد می کنند.این یونها به علت مثیت بودن در جهتی خلاف جهت حرکت اشعه کاتدی (که بار منفی دارند) حرکت می کنند، یعنی از قطب مثبت دور و به قطب منفی نزدیک می شوند.بسیاری از این یونها با جذب الکترون (از اشعه کاتدی) مجددا به اتمهای خنثی تبدیل می شوند. ولی بعضی از آنها به کاتد می رسند و اگر کاتد سوراخی داشته باشد، از آن عبور می کنند. این جریان یونهای مثبت که اشعه مثبت یا اشعه کانالی نامیده می شوند، نخستین بار توسط یوجین گلدشتاین در 1886 مشاهده شد.

انحراف اشعه مثبت در میدان الکتریکی و مغناطیسی توسط ویلهم وین (1898) و جی.جی.تامسون (1906) مورد مطالعه قرار گرفت و مقادیر e/m برای یونهای مثبت، که این اشعه را تشکیل می دهند، معین شد.

یونهای تشکیل دهنده این اشعه همیشه یکسان نبوده ، بلکه به نوع گاز درون لوله تخلیه بستگی دارند.

مقدار e/m رای یک بار مثبت به بار یون (که متناسب است با تعداد الکترونهایی که اتم برای تشکیل یون از دست می دهد) و به جرم یون مورد مطالعه بستگی دارد. برای یونهایی که بار مساوی دارند، هنگامی که جرم یون نسبتا کوچک است، مقدار e/m نسبتا بزرگ است. e/m برای آنها بزرگترین مقدار مشاهده شده برای یونهای مثبت است. این یونها که همان پروتونها هستند، کمترین جرم مشاهده شده برای یک یون مثبت را دارند. چون بار مثبت پروتون برابر یک واحد بار مثبت است، پس جرم پروتون را می توان از مقدار e/m آن محاسبه کرد.