Proton

Proton (Jawi: ‏ڤروتون‎‎) dalam fizik merupakan sejenis zarah subatomik yang mempunyai cas elektrik a unit asas positif (1.602 × 10 coulomb) dengan jisim 938.3 MeV/c (1.6726 × 10 kg), atau kira-kira 1836 kali jisim elektron. Ia dijumpai di dalam setiap atom tetapi pada masa yang sama, ia juga masih berada dalam keadaan yang stabil dengan hanya dirinya sendiri dan mempunyai identiti kedua seperti ion hidrogen , H+. Zarah proton ini sendiri mempunyai 3 zarah asas termasuk 2 kuark naik dan 1 kuark turun.
Proton ialah spin 1/2 fermion dan mengandungi 3 kuark yang membentuk barion. 2 kuark naik dan 1 kuark turun ditempatkan di dalam proton akibat daripada daya yang sangat kuat, disebabkan oleh gluon.
Proton dan neutron adalah nukleon yang diikat oleh daya nuklear di dalam nukleus atom. Nukleus isotop yang paling biasa bagi atom hidrogen adalah proton tunggal (atom ini tidak mempunyai neutron). Nukleus hidrogen yang lebih berat (seperti deuterium dan tritium) mengandungi neutron. Atom-atom lain mengandungi 2 atau lebih proton dan sebilangan neutron. Bilangan proton di dalam nukleus menentukan sifat kimia atom tersebut dan seterusnya elemen kimia yang mana yang diwakilinya; pada asasnya, kedua-dua bilangan neutron dan proton di dalam nukleus menentukan isotop tertentu bagi sesuatu elemen. Proton bercas positif.
Proton dinamakan berdasarkan perkataan Yunani, πρῶτον yang bermaksud “pertama,“ dan diusulkan oleh penemu proton, Ernest Rutherford. Perkataan ini mula digunakan dalam bidang saintifik sejak 1920.
Konsep zarah seperti hidrogen sebagai bahan binaan atom-atom lain berkembang dalam masa yang lama. Sejak 1815, William Prout mencadangkan usul bahawa semua atom terdiri daripada atom hidrogen yang dipanggil olehnya sebagai protyle berdasarkan tafsiran mudah jisim-jisim atom pada masa itu, tetapi menjadi lapuk apabila nilai jisim atom yang lebih tepat diketahui.
Ernest Rutherford sering kali dikaitkan dengan penemuan proton. Pada tahun 1918, Rutherford menyedari bahawa apabila zarah alfa ditembak ke atas gas nitrogen, pengesan sinarannya mempamerkan tanda-tanda kehadiran nukleus hidrogen. Rutherford mengesahkan bahawa hidrogen ini hanya boleh hadir daripada gas nitrogen tersebut, dan maka dengan itu nitrogen mengandungi nukleus hidrogen. Dia kemudiannya mencadangkan bahawa nukleus hidrogen, yang diketahui mempunyai nombor atom 1 adalah zarah asas.
Sebelum Rutherford, Eugen Goldstein telah meneliti sinar terusan, yang mengandungi ion-ion bercas positif. Selepas penemuan elektron oleh J.J.Thompson, Goldstein mencadangkan bahawa memandangkan atom adalah bersifat neutral dari segi cas elektriknya, sudah pasti terdapat zarah bercas positif dalam sesuatu atom dan dia berusaha mengkajinya. Dia menggunakan sinar terusan yang diperhatikan bergerak melawan arah aliran elektron dalam tiub sinar katod. Apabila elektron tersebut dialihkan dari zarah-zarah dalam tiub sinar katod, ia menjadi zarah bercas positif dan bergerak ke arah katod. Kebanyakkan zarah bercas tersebut melintasi katod, lalu ia ditebuk dan menghasilkan sinaran di atas kaca tersebut. Pada saat ini, Goldstein percaya bahawa dia telah menjumpai proton. Apabila dia mengira nisbah cas kepada jisim zarah baru ini, nilainya adalah berlainan apabila gas yang digunakan ditukar (dalam kes elektron, nilai yang dijumpai adalah sama walaupun gas yang digunakan dalam tiub sinar katod adalah berbeza). Sebabnya adalah sangat mudah. Apa yang disangkakan proton oleh Goldstein ialah sebenarnya ion. Beliau berputus asa dengan tugas ini dan berjanji yang “dia akan kembali.“ Namun, dia mengendahkan janjinya.
Kini, proton lazim digunakan dalam pemecut bagi tujuan terapi proton serta uji kaji fizik zarah, seperti Pelanggar Hadron Besar.
Kajian terkini menujukkan bahawa ribut petir boleh menghasilkan proton dengan tenaga mencecah puluhan MeV. Pada Julai 2017, para pengkaji menentukan jisim proton pada nilai 7000100727646658300♠1.007276466583+15−29 unit jisim atom (nilai +15 dan -29 masing-masing ialah nilai ketidaktentuan statistik dan sistematik), lebih rendah dari nilai asal berdasarkan maklumat pada CODATA 2014.
Jika diperhatikan, proton adalah stabil dan secara teorinya, setengah hayat yang paling minimum bagi proton ialah 1×10 tahun. Para saintis secara umumnya menganggarkan pereputan proton tetap berlaku, walaupun eksperimen-eksperimen yang dijalankan sehingga kini hanya memperoleh keputusan limit serendah 1035 tahun bagi jangkahayat proton. Dalam erti kata lain, pereputan proton tidak pernah disaksikan oleh sesiapa dan purata jangka hayat paling rendah proton berdasarkan eksperimen (2.1×10 tahun) diberikan oleh Balai Pencerap Sudbury Neutrino. Walau bagaimanapun, proton telah diketahui boleh bertukar kepada neutron melalui proses penawanan elektron. Proses ini tidak berlaku secara spontan tetapi hanya apabila tenaga yang cukup disalurkan. Persamaan bagi proses ini ialah :-
p + + e − → n + ν e {\displaystyle \mathbf {p} ^{+}+\mathbf {e} ^{-}\rightarrow \mathbf {n} +{\nu }_{e}\,}
“p” ialah proton,
“e” ialah elektron,
“n” ialah neutron, dan
“νe“ ialah elektron neutrino
Neutron juga boleh ditukarkan semula kepada proton melalui proses pereputan beta, satuk bentuk yang biasa dalam pereputan radioaktif. Dalam pada itu, neutron bebas mereput melalui kaedah ini dengan purata jangka hayat hanya kira-kira 15 minit.
Dalam kromodinamik kuantum (QCD), teori moden daya nukleus, kebanyakan jisim proton dan proton dihuraikan oleh kerelatifan khas. Jisim proton ialah kira-kira 80 ke 100 kali ganda jisim rehat kuark-kuark yang membentuk proton, dan jisim rehat gluon ialah sifar. Tenaga lebihan kuark dan gluon dalam kawasan proton, jika dibandingkan jisim rehat kuark dan gluon itu sendiri, merangkumi hampir 99% jisim proton. Oleh itu, jisim rehat proton ialah jisim tak varian sistem pergerakan kuark dan gluon yang membentuk proton, bahkan, tenaga zarah-zarah yang tidak berjisim itu juga dikira sebagai sebahagian daripada jisim rehat sistem.
Dua istilah biasanya digunakan dalam perihal jisim kuark yang membentuk proton, iaitu jisim kuark tunggal (current quark mass), jisim kuark itu sendiri, dan jisim kuark juzuk (constituent quark mass), jisim kuark tunggal dan medan zarah gluon yang mengelilingi kuark. Jisim-jisim ini biasanya mempunyai nilai yang berbeza. Meskipun gluon secara sendirinya tidak berjisim, gluon memiliki tenaga, secara khususnya tenaga pengikat kromodinamik kuantum (QCBE), dan tenaga ini merangkumi kebanyaka jisim proton. Proton memiliki jisim sebanyak kira-kira 938 MeV/c, dengan jisim tiga kuark tunggal hanya sebanyak 9.4 MeV/c, dan oleh itu, kebanyakan baki jisim boleh dijelaskan oleh QCBE gluon.
Dinamik dalaman proton adalah rumit kerana perkara ini ditentukan oleh gluon-gluon dan interaksi dengan peluwap vakum. Kromodinamik kuantum kekisi memberi cara untuk mengira jisim proton daripada teori secara prinsip. Kiraan terkini mendakwa bahawa jisim dapat ditentukan dengan julat ketepatan melebihi 4% hingga 1%, tetapi masih berkontroversi kerana kiraan tidak boleh dilakukan dengan nilai jisim kuark yang sangat rendah. Hal ini bermakna nilai diperoleh melalui ekstrapolasi yang boleh menjurus kepada ralat sistematik.
Selain itu, terdapat beberapa kaedah lain dalam kajian tentang struktur proton seperti konsep skyrmion, kaedah AdS/QCD yang menerapkan teori benang gluon, konsep-konsep berkaitan QCD, dan peratuan penambahan QCD yang membenarkan kiraan nilai jisim kasar.
Dalam kimia, bilangan proton dalam nukleus atom suatu unsur dikenali sebagai nombor atom, dan menentukan unsur kimia atom tersebut. Sebagai contoh, nombor atom nitrogen ialah 7, bermakna setiap atom nitrogen memiliki tujuh proton dan semua atom dengan tujuh proton ialah atom nitrogen.
Proton dalam bidang kimia biasanya dikait dengan ion hidrogen, H. Memandangkan nombor atom hidrogen ialah 1, suatu ion hidrogen tidak mempunyai elektron dan oleh itu, hanya memiliki nukleus tunggal yang terdiri daripada satu proton (dan tiada proton sekiranya merujuk kepada isotop hidrogen paling umum, protium). Proton ini hanya merangkumi 1/64,000 jejari atom hidrogen, dan oleh itu, amat reaktif. Proton yang bebas ini memiliki jangka hayat yang sangat singkat dalam sistem-sistem kimia seperti dalam cecair dan bertindak balas dengan sebarang awan elektron daripada mana-mana molekul. Dalam sebatian akueus, ion hidrogen membentuk ion hidronium, H3O, yang dilarutkan dengan lebih lanjut oleh molekul-molekul air menjadi ion-ion seperti [H5O2] and [H9O4].
Perpindahan ion hidrogen dalam tindak balas asid-bes dikenali sebagai perpindahan proton. Dalam hal ini, asid bertindak sebagai penderma proton dan bes bertindak sebagai penerima proton.
Dalam bidang perubatan, proton digunakan dalam satu kaedah untuk merawat barah, iaitu terapi proton. Kaedah ini dilihat lebih selamat berbandingkan kaedah radioterapi lain kerana julat kedalaman kulit yang terkena dos adalah rendah, dan tidak banyak kebocoran radiasi dos. Proton dalam bidang perubatan boleh dihasilkan dengan menggunakan siklotron, sejenis pemecut zarah.