Proton

Vir ander betekenisse sien proton (dubbelsinnig).

Die proton is ’n subatomiese deeltjie met ’n positiewe elektriese lading en ’n massa van 1 op die skaal van atoommassas; omtrent 1 836 keer die massa van ’n elektron en effens minder as dié van ’n neutron. Protone en neutrone is saam bekend as nukleone.

Die kern van die waterstofatoom se mees algemene isotoop is ’n enkele proton. Die kerns van ander atome bestaan uit protone en neutrone wat deur die sterk kernkrag gebind word. Die getal protone in die kern word die atoomgetal (simbool: Z) genoem en bepaal die chemiese eienskappe van ’n atoom asook watter chemiese element dit is.

Die woord "proton" is Grieks vir "eerste" en dié naam is in 1920 deur die Britse fisikus Ernest Rutherford aan die waterstofkern gegee. In vorige jare het Rutherford ontdek die waterstofkern (die ligste kern) kan deur atoombotsings onttrek word van die kerns van stikstof. Die proton was dus ’n kandidaat om ’n elementêre deeltjie te wees, en dus die bousteen van stikstof en alle ander swaarder kerns.

In die moderne Standaardmodel van deeltjiefisika is protone hadrone en bestaan hulle nes neutrone, die ander soort nukleon, uit drie kwarke. Hulle word dus nie meer as elementêre deeltjies beskou nie. 

Dit is nou bekend hulle bestaan uit twee opkwarke met ’n lading van  en een afkwark met ’n lading van . Die rusmassas van kwarke dra egter net sowat 1% van die proton se massa by. Die res van die massa is vanweë die kwantumchromodinamiese bindingsenergie, wat insluit die kinetiese energie van die kwarke en die energie van die gluonvelde wat die kwarke saambind.

Stabiliteit 
’n Vrye proton (’n proton wat nie aan nukleone of elektrone gebind is nie) is ’n stabiele deeltjie en daar is nog nie waargeneem dat dit spontaan in ander deeltjies verval nie. Vrye protone word natuurlik in verskeie situasies aangetref waarin energieë en temperature hoog genoeg is om hulle van elektrone te skei. Vrye protone kom voor in plasmas waarvan temperature te hoog is dat hulle met elektrone kan bind. Vrye protone met ’n hoë energie en snelheid maak 90% uit van kosmiese straling, wat in ’n vakuum vir interstellêre afstande voortplant. Vrye protone word direk vrygelaat uit atoomkerns in sommige seldsame soorte radioaktiewe verval. Protone ontstaan ook (saam met elektrone en antineutrino's) uit die radioaktiewe verval van vrye neutron, wat onstabiel is.

Die spontane verval van vrye protone is nog nie waargeneem nie en daarom word protone volgens die Standaardmodel as stabiele deeltjies beskou. Sommige teorieë in deeltjiefisika voorspel egter protonverval behoort plaas te vind ná tussen 1031 en 1036 jaar, en eksperimentele ondersoeke het gedui op laer grense vir die gemiddelde leeftyd van ’n proton vir verskeie veronderstelde vervalprodukte.

Eksperimente by die Super-Kamiokande-detektor in Japan dui op laer grense vir ’n proton se gemiddelde leeftyd van  vir verval in ’n antimuon en ’n neutrale pion, en  vir verval in ’n positron en ’n neutrale pion. In nog ’n eksperiment by die Sudbury-neutrinosterrewag in Kanada is gesoek na gammastrale wat die gevolg is van residu-kerns wat ontstaan uit die verval van ’n proton van suurstof-16. Dié eksperiment was bedoel om verval in enige produk op te spoor, en het gedui op ’n laer grens vir die lweensduur van ’n proton van .

Dit is egter bekend dat protone in neutrone verander ná elektronvangs. Vir vrye protone gebeur hierdie proses nie spontaan nie, maar slegs wanneer energie verskaf word. Die vergelyking is:

 +  →  + 

Die proses is omkeerbaar; neutrone kan terugverander in protone deur betaverval, ’n algemene vorm van radioaktiewe verval. Eintlik verval ’n vrye neutron op dié manier, met ’n gemiddelde leeftyd van sowat 15 minute.

Kwarke en die massa van ’n proton 
In kwantumchromodinamika, die moderne teorie van kernkrag, word die grootste deel van die massa van protone en neutrone verduidelik deur spesiale relatiwiteit. Die proton se massa is sowat 80-100 keer so groot as die som van die rusmassas van die kwarke waaruit dit bestaan, terwyl die gluone geen rusmassa het nie. Die ekstra energie van die kwarke en gluone in ’n streek binne ’n proton maak amper 99% van die massa uit. Die rusmassa van ’n proton is dus die rusmassa van die stelsel van bewegende kwarke en gluone waaruit die deeltjie bestaan, en in sulke stelsels word selfs die energie van die massalose deeltjies steeds gemeet as deel van die rusmassa van die stelsel.

Twee terme word gebruik in verwysing na die massa van die kwarke waaruit protone bestaan: "Huidige kwarkmassa" verwys na die massa van die kwarke self, terwyl "samestellende kwarkmassa" verwys na die huidige kwarkmassa plus die massa van die gluonveld wat die kwarke omring.  Hierdie massas het gewoonlik heel verskillende waardes. Soos reeds gesê, kom die grootste deel van die proton se massa van die gluone wat die huidige kwarke saambind, eerder as van die kwarke self. Hoewel gluone nie massa het nie, besit hulle energie – meer spesifiek kwantumchromodinamiese bindingsenergie (KCBE) – en dit is wat so ’n groot deel van die massa van protone uitmaak. ’n Proton het ’n massa van sowat 938 MeV/c2, waarvan die rusmassas van sy drie kwarke net sowat 9,4 MeV/c2 bydra.

Atoomgetal 
In chemie is die getal protone in die kern van ’n atoom bekend as die atoomgetal, wat aandui tot watter element die atoom behoort. Die atoomgetal van chloor is byvoorbeeld 17; dit beteken elke chlooratoom het 17 protone en elke atoom met 17 protone is ’n chlooratoom. Die chemiese eienskappe van elke atoom word bepaal deur die getal (negatief gelaaide) elektrone, wat in neutrale atome gelyk is aan die getal (positiewe) protone sodat die algehele lading nul is. ’n Neutrale chlooratoom het byvoorbeeld 17 protone en 17 elektrone, terwyl ’n chloor-anioon 17 protone en 18 elektrone het vir ’n algehele lading van .

Alle atome van ’n spesifieke element is egter nie identies nie omdat die getal neutrone kan wissel om verskillende isotope te vorm, en energievlakke kan wissel om verskillende kernisomere te vorm. Daar is byvoorbeeld twee stabiele isotope van chloor:  met 35 − 17 = 18 neutrone en  met 37 − 17 = 20 neutrone.

Verwysings

Eksterne skakels 
 
 Hierdie artikel is vertaal uit die Engelse Wikipedia

Chemie
Deeltjiefisika
Saamgestelde deeltjies