פרוטון

פְּרוֹטוֹן (מיוונית: פרוטון, ראשון) הוא חלקיק הנמצא בגרעין של כל אטום. הוא נושא יחידה יסודית אחת של מטען חשמלי חיובי (1 e). מסתו היא כ-1.00728 יחידות מסה אטומית מאוחדת. מאחר ששניהם נמצאים בגרעין האטום, הפרוטון והנייטרון מכונים יחד נוקליאונים. הפרוטון אינו חלקיק יסודי, אלא מורכב משלושה קווארקים, שני קווארקי למעלה וקווארק למטה אחד, המוחזקים יחד על ידי הכוח החזק. הפרוטון הוא חלקיק יציב, שעד כה לא נצפתה דעיכה ספונטנית שלו לחלקיקים אחרים. עם זאת, פרוטון יכול לדעוך לחלקיקים אחרים כאשר הוא נמצא בגרעין של אטום לא-יציב, כלומר, רדיואקטיבי. בפרט, פרוטון יכול לעבור דעיכת בטא פלוס, במהלכה הוא הופך לנייטרון. דעיכת בטא פלוס מתרחשת כאשר אחד הקווארקים בתוך הפרוטון הופך מקווארק למעלה לקווארק למטה, אירוע המשנה חלק מהמספרים הקואנטיים של החלקיק והופך אותו מפרוטון לנייטרון. גרעין האיזוטופ השכיח של היסוד מימן הוא פרוטון בודד. לכן, גם היון החיובי של מימן (H+) הוא פרוטון בודד. לפיכך, בכימיה, בביולוגיה ובתחומים קשורים, נהוג לכנות את יון המימן "פרוטון". תכונותיו העיקריות של הפרוטון הן: מסת מנוחה: 938.2720813 MeV/c2 או כ-1.00728 ימ"א (בערך פי 1,836 ממסת האלקטרון) קוטר: כ-‎1.5×10-15‎ מטר מטען חשמלי: ‎1.602176634×10-19 ‎ קולון, כלומר, יחידה חיובית אחת של מטען יסודי אורך חיים: פוטנציאלית אינסופי, כלומר, החלקיק יציב. לפי חישובים תאורטיים, אם דעיכת פרוטון אפשרית, אורך החיים שלו הוא יותר מ-‎1031‎ שנים ספין: 1⁄2 מלבד האיזוטופ הקל ביותר של אטום המימן שגרעינו הוא פרוטון יחיד, גרעיני האטומים של כל היסודות הכימיים מורכבים מפרוטונים ונייטרונים המוחזקים יחד על ידי הכוח הגרעיני. מספר הפרוטונים בגרעין קובע את תכונותיו החשמליות של האטום, וכתוצאה מכך את תכונותיו הכימיות. משום כך מספר הפרוטונים בגרעין האטום הוא הקובע לאיזה יסוד כימי משויך אותו אטום. כאשר מספר הפרוטונים בגרעין אטום שווה למספר האלקטרונים המקיפים אותו, האטום נייטרלי מבחינה חשמלית. גריעה או הוספה של אלקטרונים הופכת את האטום ליון, חיובי או שלילי, בהתאמה. ג'יי ג'יי תומסון גילה כי משקלם של האלקטרונים באטום הוא זניח, הבין תומסון כי חייב להיות משקל נוסף, חיובי, באטום שהוא המשקל העיקרי באטום, מכאן התחיל תומסון להבין את הפרוטון. הפרוטון התגלה על ידי ארנסט רתרפורד ב-1918 בניסויים בהם הופצצו אטומי חנקן בחלקיקי אלפא (שהם למעשה גרעיני הליום) והפכו לאטומי חמצן. רתרפורד היה גם זה שטבע את שמו. הפרוטון הוא חלקיק יציב. לא נצפתה עד כה דעיכה ספונטנית של פרוטון חופשי לחלקיקים אחרים. גם אם פרוטון מסוגל לדעוך, אורך החיים שלו נחשב לגדול מאוד ומוערך על פי ניסויים ביותר מ-‎1031‎ שנים. הסיבה העיקרית ליציבות הפרוטון היא היותו הבאריון הקל ביותר. לכן, אין חלקיק קל יותר אליו יכול הפרוטון לדעוך, מבלי שתתרחש שבירה של המספר הבאריוני. אולם, שבירה כזו אינה אפשרית לפי אף מודל פיזיקלי מוכח המוכר כיום, מכיוון שהמספר הבאריוני מציית לחוק שימור חזק (exact conservation). שבירה של המספר הבאריוני נקראת באריוגנזה (baryogenesis), או יצירת באריונים. לפי ההבנה המדעית הנוכחית, תהליך של באריוגנזה התרחש בראשית היקום, זמן קצר מאוד לאחר תחילת המפץ הגדול, במנגנון שאינו מובן כיום ואינו מוסבר על פי המודל הסטנדרטי. משום כך, חקר דעיכת הפרוטון קשור ישירות לחקר הבאריוגנזה והיווצרות החומר ביקום, והוא תחום מחקר בולט בפיזיקת החלקיקים. בעזרת תוספת אנרגיה, למשל בהתנגשות עם אלקטרון, פרוטון יכול להפוך לנייטרון ונייטרינו אלקטרוני, בתגובה הבאה: p + e- → n + νe התגובה ההפוכה מתרחשת באופן ספונטני: נייטרון בודד (כזה שאינו נמצא בגרעין אטום) הוא בעל אורך חיים של כ-15 דקות, אחריהן הוא דועך לפרוטון, אלקטרון ואנטינייטרינו. היפותטית, הפרוטון עשוי לדעוך. זאת, לפי תאוריות שלא זכו לביסוס ניסויי, דוגמת תאוריה מאוחדת גדולה, החוזה את תהליך הדעיכה הבא: p → e+ + π0 בתהליך היפותטי זה, נשבר המספר הבאריוני: בצד שמאל, נמצא פרוטון, שהמספר הבאריוני שלו הוא 1. לעומת זאת, בצד ימין נמצא פאיון, שהמספר הבאריוני שלו הוא 0. בנוסף, נשבר גם המספר הלפטוני: 0 בצד שמאל, לעומת מינוס 1 של הפוזיטרון בצד ימין. ההפרש בין המספר הבאריוני למספר הלפטוני (B-L) נשמר, כלומר, מתקיים חוק שימור המכונה B-L conservation, שהוא אחד המאפיינים של התאוריה המאוחדת הגדולה. גם גרסאות מסוימות של תורת המיתרים מנבאות אפשרות של התפרקות הפרוטון. מיון החלקיקים גרעין האטום אלקטרון נייטרון ד"ר ארז גרטי, חלקיקי החומר – הפרוטון, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 4 ביולי 2011 יאן כ' ברנאואר, ‏חידת רדיוס הפרוטון, במדור סיינטיפיק אמריקן של מכון דוידסון, 2 ביוני 2014 פרוטון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) פרוטונים, דף שער בספרייה הלאומית פרוטון באתר Online Etymology Dictionary תכונות הפרוטון באתר Particle Data Group ההיסטוריה של האטום