پروتون
پروتون ذره‌ای زیراتمی با نماد p  یا formula_1 است که جرمش ۱۸۳۷ برابر جرم الکترون و اندکی کمتر از جرم نوترون است. به پروتون و نوترون که هر کدام جرمی حدود یک یکای جرم اتمی (amu) دارند نوکلئون (ذرات درون هستهٔ اتم‌ها) هم می‌گویند. بار پروتون مثبت و اندازه‌اش با اندازهٔ بار الکترون (1e+) یعنی ۱۰× ۱٫۶۰۲۲ کولن دقیقاً برابر است.
در هستهٔ هر اتم، یک یا چند پروتون وجود دارد. شمار پروتون‌ها در هسته، عدد اتمی نام دارد که با نماد Z نمایش داده می‌شود و ویژگیِ تعیین‌کنندهٔ نوع هر عنصر شیمیایی‌ست به این معنی که تعداد پروتون‌های هستهٔ اتم‌های هر عنصر شیمیایی یکتاست: هر عنصر شیمیایی عدد اتمی منحصر به خودش را دارد.
واژهٔ پروتون که در زبان یونانی به معنای "«نخستین»" است، نامی‌ست که بار اول ارنست رادرفورد آن را در سال ۱۹۲۰ به هستهٔ هیدروژن داد. وی سال‌ها پیش از این نام گذاری دریافته بود که هستهٔ هیدروژن را (که می‌دانستند سبک‌ترین هسته است) می‌توان با برخورد اتمی از هستهٔ نیتروژن بیرون کشید. از این رو به نظر می‌رسید پروتون باید ذره‌ای بنیادی و عنصر سازندهٔ هستهٔ نیتروژن و دیگر هسته‌های سنگین‌تر (از هیدروژن) باشد.
با آن‌که ابتدا گمان می‌رفت پروتون ذرهٔ بنیادیست، امروز در طبقه‌بندیِ مدل استاندارد فیزیک ذرات، پروتون مانند نوکلئونِ دیگر، یعنی نوترون، یکی از هادرون‌ها و ذره‌ای مرکب از سه کوارک ظرفیتی‌ست: دو کوارک بالا که بار الکتریکی هر کدام (۲e/۳)+ و یک کوارک پایین که بار الکتریکیش ۳/e - است. سهم جرم سکون کوارک‌ها در جرم پروتون تنها ۱٪ است. بقیهٔ جرم پروتون برخاسته از انرژی بستگیِ کرومودینامیکِ کوانتومی شامل انرژی جنبشی کوارک‌ها و انرژی میدان‌های گلوئون‌هایی‌ست که کوارک‌ها را به هم پیوند می‌دهد. از آنجا که پروتون ذرهٔ بنیادی نیست، اندارهٔ فیزیکی دارد که می‌توان اندازه گرفت: جذر میانگین مربعی شعاع پروتون بین ۰٫۸۴ و ۰٫۸۷ فرمی (هر فرمی برابر ۱۰ متر) است. در سال ۲۰۱۹ دو بررسی مستقل با روش‌های متفاوت شعاع پروتون را اندازه گرفتند و به مقدار ۰٫۸۳۳ فرمی رسیدند، عدم قطعیت این اندازه‌گیری‌ها ۰٫۰۱۰± فرمی است.
در دماهای کم پروتون آزاد و الکترون پیوند می‌سازند اما خصلت پروتون تغییر نمی‌کند. پروتونی که به سرعت از ماده عبور می‌کند در اثر برهم‌کنش با هسته‌ها و الکترون‌های ماده کُند می‌شود و بالاخره ابر الکترون‌های یکی از اتم‌ها آن را جذب می‌کند. نتیجه، اتم پروتون‌دار و در واقع ترکیب شیمیایی آن اتم با هیدروژن است. در خلأ هر جا که الکترون آزاد باشد، پروتونی که به اندازه کافی کند باشد می‌تواند یک الکترون جذب کند و اتم خنثای هیدروژن بسازد که از دیدگاه شیمیایی رادیکال آزاد است. این اتم‌های «هیدروژن آزاد» در انرژی کم تمایل به واکنش شیمیایی با انواع دیگر اتم‌ها را دارند. واکنش اتم‌های آزاد هیدروژن با یکدیگر به ساخت مولکول طبیعی هیدروژن (H2) منجر می‌شود که که فراوان‌ترین جزء ابرهای مولکولی در فضای بین ستارگان است.
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 حدوداً ۰/۸ فمتومتر است. 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 به‌غایت 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.
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 او آن‌ها را پروتیل می‌نامید، 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 آن‌جایی که 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:
N + α → O + p
رادرفورد تحت تأثیر فرضیه پروت می‌دانست 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 شده بود.
اولیور لاج در جلسه ای در مؤسسه 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 شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی می‌باشد.
پروتون آزاد (که به هیچ نوترون یا الکترونی بسته نباشد) ذره‌ای پایدار است که تاکنون واپاشی آن به ذرات دیگر مشاهده نشده‌است. پروتون آزاد به‌طور طبیعی در دماها و انرژی‌های زیادی که پروتون انرژی کافی برای جداشدن از الکترون داشته باشد مشاهده می‌شود. در پلاسما پروتون آزاد وجود دارد چون دما آنقدر زیاد است که مانع می‌شود پروتون الکترونی را جذب کند و پیوند بسازد. ۹۰٪ پرتوهای کیهانی که در فضای بین ستارگان منتشر می‌شوند پروتون‌های پرسرعت و پرانرژی‌ست. در برخی واپاشی‌های هسته‌ای نادر نیز پروتون از هستهٔ اتم گسیل می‌شود. نوترون آزاد ناپایدار است و در اثر واپاشی آن، پروتون به همراه الکترون و پادنوترینو آزاد می‌شود.
تاکنون واپاشی خود به‌خود پروتون آزاد مشاهده نشده‌است. به همین دلیل، پروتون در مدل استاندارد ذرهٔ پایدار است. اما در برخی نظریه‌های وحدت بزرگ فیزیک ذرات، واپاشی پروتون پیش‌بینی می‌شود و نیمه‌عمر آن بین ۱۰ و ۱۰سال است و در برخی پژوهش‌های تجربی برای عمر میانگین پروتون در اثر واپاشی فرضیِ آن به ذرات دیگر حد پایین تعیین شده‌است.
در آزمایش‌هائی که در آشکارگر سوپر کامیوکانده در ژاپن انجام شده، حد پایین ۱۰ × ۶٫۶ سال برای نیمه‌عمر واپاشی پروتون به پادمیوئون و پیون خنثی و حد پایین ۱۰× ۸٫۲ سال برای نیمه‌عمر واپاشی پروتون به پوزیترون و پیون خنثی به دست آمده‌است [به این معنی که در این آزمایش‌ها واپاشی پروتون دیده نشده و اگر پروتون وابپاشد با توجه به مدت آزمایش و مقدار ماده‌ای که تحت نظر بوده، نیمه‌عمر پروتون از این مقادیر بیشتر است]. در آزمایشی دیگر در در کانادا، پژوهشگران تلاش کردند پرتوهای گاما حاصل از واپاشی هسته‌های به جامانده پس از هر نوع واپاشیِ یکی از پروتون‌های هستهٔ اتم اکسیژن ۱۶را آشکار کنند. در این آزمایش حد پایین ۱۰× ۲٫۱ سال برای نیمه‌عمر پروتون به دست آمد.
از سوی دیگر، فرایند جذب الکترون و تبدیل پروتون به نوترون (که نیز نام دارد)، فرایندی شناخته شده در فیزیک است. این فرایند برای پروتون آزاد خود به‌خود روی نمی‌دهد و انجام آن نیاز به تأمین انرژی لازم دارد. این واکنش، برگشت‌پذیر است و نوترون در واپاشی بتا که یکی از شکل‌های معمول واپاشی هسته‌ای‌ست، با نیمه‌عمر میانگین پانزده دقیقه به پروتون تبدیل شود.