پروتون

شرح

پروتون، فرمیونی با اسپین ½- است که از سه کوارک ظرفیت ساخته شده  و دارای توزیع بار الکتریکی مثبتی است که با آهنگ نمایی کم می‌شود. شعاع پروتون حدودا  ۰/۸ فمنتو متراست. همین کوارک‌های ظرفیت هستند که پروتون را به یک باریون که خود یک زیر ذره هادرونی ست تبدیل می‌کنند. دو کوارک بالا و یک کوارک پایین با نیرویی به غایت محکم به میانجیگری گلوئون به هم متصل هستند. امروزه بر این باوریم که پروتون از سه کوارک ظرفیت (بالا بالا پایین)، گلوئون‌ها و جفت‌هایی ظرفیتی از کوارک دریایی تشکیل شده‌اند. 
پروتون و نوترون ذرات درون هسته‌ای هستند و می‌توانند توسط نیروی هسته‌ای به یکدیگر متصل شوند و هسته اتم را شکل دهند. هسته فراوان‌ترین ایزوتوپ هیدروژن تنها از یک پروتون تشکیل شده‌است. دو ایزوتوپ دیگر هیدروژن یعنی دوتریوم و تریتیوم به ترتیب دارای یک و دو نوترون هستند که به پروتون متصل شده‌اند. هسته سایر اتم‌ها از بیش از یک پروتون و تعداد متفاوتی نوترون شکل گرفته‌است.

تاریخچه

مدت زیادی نیاز بود تا مفهوم ذره هیدروژن-مانند به عنوان سازنده سایر اتم‌ها توسعه یابد. نخست، ویلیام پروت در ۱۸۱۵ بر پایه تفسیر ساده‌انگارانه‌ای از مقادیر وزن اتمی، چنین فرض کرد که همه اتم‌ها از اتم‌های هیدروژن که اون آن‌ها را پروتیل می نامید، تشکیل شده‌اند. پس از آن که مقدارهای دقیق‌تری اندازه‌گیری شدند، این فرضیه رد شد.
در ۱۸۸۶، اویگن گلدشتاین با کشف پرتوهای آندی نشان داد که این پرتوها مربوط به ذره‌هایی با بار مثبت هستند که از گازها تولید می‌شوند. البته از آن‌جایی‌که این ذرات منتشر شده از گازهای مختلف، دارای نسبت بار به جرم متفاوتی بودند، شناسایی آن‌ها بر خلاف الکترون با بار الکتریکی منفی، به عنوان یک ذره امکان‌پذیر نبود. اما در ۱۸۹۸ ویلهلم وین یون هیدروژن را به عنوان ذره ای که بیشینه نسبت بار به جرم در گازهای یونیزه را داراست کشف نمود.  
پس از کشف هسته اتم توسط ارنست رادرفورد در ۱۹۱۱، آنتونیوس فن‌در بروک اظهار کرد که مکان هر عنصر در جدول تناوبی، متناظر با بار هسته آن است. هنری موزلی در ۱۹۱۳ این مطلب را با به‌کارگیری طیف پرتو ایکس به صورت تجربی تأیید کرد.
رادرفورد در ۱۹۱۷ ثابت کرد که هسته هیدروژن در هسته‌های دیگر نیز وجود دارد. معمولاً این نتیجه را به عنوان کشف پروتون در نظر می‌گیرند. رادرفورد آزمایشی انجام داد که در آن، ذرات آلفا را به هوا (که بیشتر آن نیتروژن است) شلیک نمود و آشکارگرها اثراتی از هیدروژن را به عنوان یک محصول واکنش نشان دادند. رادرفورد پس از آن که آزمایش را با نیتروژن خالص تکرار کرد و مشاهده کرد که اثرات بیشتر شده‌اند، چنین نتیجه گرفت که این ذره‌های هیدروژن تنها می‌توانند از نیتروژن آمده باشند و بنابراین نیتروژن باید محتوی هسته هیدروژن باشد. در این آزمایش یک هسته هیدروژن جدا شد و نیتروژن به اکسیژن-۱۷ تبدیل شد. این رخداد، نخستین واکنش هسته‌ای گزارش شده‌است :
¹⁴N + α → ¹⁷O + p
رادرفورد تحت تأثیر فرضیه پروت می دانست که هیدروژن ساده‌ترین و سبک‌ترین عنصر و واحد سازنده دیگر عناصر است. کشف این مطلب که هسته هیدروژن در همه هسته‌های دیگر وجود دارد، رادرفورد را بر آن داشت که نامی ویژه به عنوان یک ذره، به هسته هیدروژن بدهد. رادرفورد چنین پنداشت که هیدروژن به عنوان سبک‌ترین عنصر، تنها دارای یکی از این ذره‌ها است و این واحد سازنده بنیادی جدید را پروتون نامید. این واژه از کلمه‌ای یونانی به معنی نخستین، مشتق شده‌بود. 
اولیور لاج در جلسه ای در موسسه بریتانیایی پیشرفت‌های علمی به تاریخ ۲۴ اوت ۱۹۲۰ از وی خواست تا به منظور جلوگیری از اشتباه شدن هیدروژن معمولی با هیدروژن مثبت نامی برای آن انتخاب کند. رادرفورد که واژه پروتیل را که توسط پروت استفاده شده بود در ذهن داشت هم پروتون (proton) و هم پرووتون (prouton) را پیشنهاد داد که واژه نخستین مورد پذیرش قرار گرفت. 
تحقیقات نشان می‌دهد که رعد و برق می‌تواند پروتون‌هایی با انرژی تا چندین ده میلیون الکترون ولت تولید نماید.
پروتون‌ها معمولاً در پروتون درمانی یا آزمایش‌های متفاوت فیزیک ذره ای استفاده می‌شوند. یکی از مثال‌های مهم در این زمینه شتاب دهنده بزرگ هادرونی می‌باشد .

پایداری

پروتون آزاد (که به هیچ نوترون یا الکترونی پیوستگی ندارد) یک ذره پایدار است که تاکنون واپاشی آن مشاهده نشده‌است. در شرایطی که انرژی یا دما به قدری بالا باشد که نیرو جاذبه بین پروتون‌ها و ابرالکترونی متناظر با آن‌ها را جدا نماید، پروتون آزاد به وجود می آید. پروتون‌های آزاد در پلاسما نیز وجود دارند، جایی که دما آنقدر بالاست که اجازه پیوستن پروتون‌ها به الکترون‌ها را ندهد. ۹۰٪ پرتو کیهانی از پروتون‌های پرسرعت و پرانرژی تشکیل شده‌است که در فضای بین اختری پراکنده‌اند. پروتون در نوعی واپاشی هسته‌ای نادر از برخی هسته‌های اتم نیز منتشر می‌شود. پروتون به همراه الکترون و پادنوترینو در واپاشی نوترون آزاد نیز پدید می‌آید.
تاکنون واپاشی خودبه‌خودی پروتون آزاد مشاهده نشده‌است. برای همین، پروتون به عنوان ذره پایدار در نظر گرفته می‌شود. البته برخی نظریه‌های وحدت بزرگ فیزیک ذرات پیش‌بینی می‌کنند که واپاشی پروتون با نیم‌عمری با مرتبه بزرگی بین ۳۶+۱۰ و ۳۱+۱۰ سال انجام می‌شود. هرچند که نتیجه بعضی آزمایش‌ها حد پایین‌تری را برای این مقدار، پیشنهاد می‌دهد.   
مثلا آزمایش در ردیاب سوپر کامیوکانده در ژاپن نیمه عمر کمتری برای پروتون نشان می‌دهد که برابر است با ۳۳+۱۰× ۶/۶ سال برای اینکه یک پروتون به یک پاد میون (پادموئون)و یک پیون واپاشی حاصل کند. از سوی دیگر ۳۳+۱۰× ۸/۲ سال طول می کشد تا همان پروتون به پوزیترون و یک پیون خنثی واپاشیده شود.  
آزمایشی دیگر در مشاهده گر نوترینو سودبری در کانادا که مشغول ردیابی اشعه گاما در نوکلئون‌های حاصل واپاشی یک پروتون واپاشیده از اکسیژن-۱۶ بود، نیمه عمری برابر با ۲۹+۱۰× ۲/۱ سال را برای پروتون نشان داد. 
از سوی دیگر، فرایند جذب الکترون توسط پروتون و تبدیل به نوترون، فرایندی شناخته‌شده در فیزیک است. البته این فرایند برای پروتون‌های آزاد، تنها در صورت وجود انرژی کافی انجام‌پذیر است. این واکنش، برگشت‌پذیر است و نوترون می‌تواند با تابش پرتو بتا به پروتون تبدیل شود که شکل متداولی از واپاشی هسته‌ای است. در واقع، نوترون آزاد با نیم‌عمر میانگین ۱۵ دقیقه به این صورت واپاشی می‌کند.