Protoni

Protoni (tunnus p tai p+) on subatominen hiukkanen, jonka sähkövaraus on +1 e eli positiivinen alkeisvaraus ja massa noin yhden atomimassayksikön verran. Protonit muodostavat atomiytimet yhdessä sähkövarauksettomien neutronien kanssa. Alkuaineen järjestysluku määräytyy sen ytimessä olevien protonien lukumäärän mukaan: esimerkiksi vedyn, jonka ytimessä on vain yksi protoni, järjestysluku on 1. Joskus protoneita ja neutroneita kutsutaan myös yhteisnimityksellä nukleonit.

Protoni on sähkövaraukseltaan yhtä suuri, mutta vastakkaismerkkinen kuin elektroni, minkä seurauksena positiivisesti varautunut atomiydin pyrkii keräämään ympärilleen elektroniverhon, jossa on täsmälleen yhtä monta elektronia kuin ytimessä on protoneja. Tässä tilassa elektronipilven negatiivinen varaus kumoaa ytimen positiivisen varauksen, ja atomit ovat ulkoisesti varauksettomia.

Hiukkasfysiikan standardimallissa protoni on hadroni, joka koostuu vahvan vuorovaikutuksen yhteen sitomista kvarkeista. Se koostuu yksinkertaistetusti ilmaisten kahdesta u-kvarkista ja yhdestä d-kvarkista. Näiden hiukkasten lepomassa muodostaa noin 1 % protonin kokonaismassasta. Loppu massasta muodostuu kvarkkien liike-energiasta ja ne yhteen sitovien gluonikenttien energioista. Protonin antihiukkanen on antiprotoni, joka koostuu kahdesta u-antikvarkista ja yhdestä d-antikvarkista.

Ominaisuudet 
Protonit ovat hadroneja, joiden spin on ½ ja sähkövaraus +1 e. Ne koostuvat kolmesta kvarkista, mikä tekee niistä baryoneja. Vahva vuorovaikutus sitoo protonin kahta u-kvarkkia ja yhtä d-kvarkkia yhteen gluonien välityksellä. Tämä kuvaus on toisaalta hieman harhaanjohtava, sillä nykyaikaisen käsityksen mukaan protoni muodostuu kolmen kvarkin ja gluonien lisäksi lukemattomasta määrästä keskenään törmäileviä syntyviä ja katoavia kvarkki–antikvarkki -pareja. Protonin säde on 0,84 femtometriä.

Hajoaminen 

Protonin hajoammista kevyemmiksi alkeishiukkasiksi ei ole toistaiseksi havaittu kokeellisesti, joten sitä pidetään standardimallissa vakaana hiukkasena. Joissakin standardimallin seuraajiksi ehdotetuissa suurissa yhtenäisteorioissa protonin hajoaminen on kuitenkin mahdollista.

Jotkut suuret yhtenäisteoriat ennustavat protonin hajoamista esimerkiksi neutraaliksi pioniksi ja positroniksi. Pioni hajoaisi tämän jälkeen lähes välittömästi kahdeksi fotoniksi. Prosessin kokeellinen tutkimus on kuitenkin hyvin vaikeaa, sillä protonin puoliintumisajan alarajaksi sen kautta arvioitiin 90 % todennäköisyydellä 8,2 × 1033 vuotta.
p+  →  e+ + π0
Toinen teoreettinen protonin hajoamisprosessi on hajoaminen myoniksi ja pioniksi. Arvioitu puoliintumisajan alaraja 90 % varmuudella on 6,6 × 1033 vuotta.
p+  →  μ+ + π0

Massa
Vuonna 2018 julkaistun tutkimuksen mukaan vain yhdeksän prosenttia protonin massasta on kvarkeista. Loppuosa massasta koostuu massan ja energian ekvivalenssiperiaatteen mukaisesti kvarkkien liikkeestä protonin sisällä (32 %), gluonien energiasta (36 %) ja vuorovaikutuksista gluonien ja kvarkkien välillä (23 %).

Protoni kemiassa

Alkuaineiden järjestysluvut 
Atomin ytimessä olevien protonien määrää kutsutaan alkuaineen järjestysluvuksi. Neutronien määrä puolestaan voi vaihdella samassa alkuaineessa, jolloin puhutaan alkuaineen isotoopeista. Protonien ja neutronien yhteenlaskettua määrää atomin ytimessä puolestaan kutsutaan atomin massaluvuksi, joka siis vaihtelee samankin alkuaineen eri isotoopeilla. 

Esimerkiksi hapen järjestysluku on 8, koska sen ytimessä on kahdeksan protonia. Vedyn järjestysluku on 1, koska sen ytimessä on vain yksi protoni. Jos siellä on myös yksi neutroni, on kyseessä isotooppi vety-2 eli deuterium.

On myös arveltu, että jos vahva vuorovaikutus olisi hieman voimakkaampi, voisi esiintyä erittäin epävakaata isotooppia helium-2. Isotoopin ytimessä olisi kaksi toisiinsa sitoutunutta protonia eikä yhtään neutronia. Tämä ei kuitenkaan ole nykyisillä vuorovaikutuksien nykyisillä arvoilla mahdollista.

Vetyioni 
Kemiassa protonilla tarkoitetaan yleensä vetyionia (H+), joka syntyy, kun vedyn tavallisimman isotoopin atomi menettää ainoan elektroninsa, ja jäljelle jää vain yhdestä protonista koostuva atomiydin. Tällaisia vapaita vetyioneja eli protoneja ei normaaleissa olosuhteissa esiinny liuoksissa, mutta hapon ja emäksen reagoidessa keskenään siirtyy yksi protoni molekyylistä tai kompleksi-ionista toiseen. Hapot ovat protonin luovuttajia, emäkset vastaanottajia. Esimerkiksi vesiliuoksissa hapot luovuttavat protonin vesimolekyylille, joka tällöin muuttuu oksoniumioniksi (H3O+). Hapon ja emäksen neutraloituminen vesiliuoksessa tapahtuu niin, että oksoniumioni luovuttaa protonin hydroksidi-ionille, jolloin molemmat muuttuvat vesimolekyyleiksi seuraavasti:

H3O+ + OH- ⇒ 2 H2O.

Antihiukkanen 

Protonilla on vastaava antihiukkanen, kahdesta u-antikvarkista ja yhdestä d-antikvarkista koostuva antiprotoni. Protonin ja antiprotonin massojen erotuksen tulisi vastata tismalleen nollaa, minkä on todettu pitävän paikkaansa kuuden miljardisosan tarkkuudella. Protonin ja antiprotonin kohdatessa hiukkaset annihiloivat toisensa.

Löytöhistoria 
Eri alkuaineiden suhteelliset atomipainot pystyttiin mittaamaan jo 1800-luvun alussa. Tällöin osoittautui, että useimpien alku­aineiden atomi­painot olivat likipitäen vedyn atomipainon monikertoja, toisin sanoen, jos yksikkönä käytetään vedyn atomi­painoa, muidenkin alku­aineiden atomi­painot ovat hyvin lähellä kokonaislukuja.. Tällä perusteella William Prout esitti vuonna 1815 hypoteesin, jonka mukaan vety­atomi, jota hän kutsui myös "protyliksi", olisi kaikkien muiden alku­aineiden atomien rakenne­osana ja että muut atomit siis koostuisivat joukosta lujasti toisiinsa sitoutuneita vety­atomeja.  Tämä käsitys tuli tunnetuksi Proutin hypoteesina. Se kuitenkin menetti uskottavuutensa, kun atomi­painot saatiin mitatuiksi entistä tarkemmin ja lisäksi todettiin, että muutamien alku­aineiden, esimerkiksi kloorin, atomi­painot eivät olleet lähelläkään kokonais­lukuja.

Vuonna 1886 Eugen Goldstein löysi kanavasäteet, jotka tunnettiin myös anodi­säteinä, ja osoitti niiden koostuvan positiivisista ioneista. Samoihin aikoihin löydettiin myös katodi­säteet. J. J. Thomson osoitti, että katodi­säteillä niiden varauksen ja massan suhde on aina sama, mikä johti elektronin löytämiseen.  Sitä vastoin kanava­säteillä tämä suhde on eri suuri riippuen siitä, mitä kaasua putkessa käytetään, joten ne eivät voineet kaikissa tapauksissa koostua samoista hiukkasista.

Alku­aineiden jaksollisen järjestelmän keksi Mendelejev 1870-luvulla. Alun perin alku­aineet järjestettiin siinä atomi­painon mukaan. Sen jälkeen kun Ernest Rutherford vuonna 1911 löysi atomi­ytimen, Antonius van den Broek esitti, että kunkin alku­aineen paikan jaksollisessa järjestelmässä itse asiassa määräisikin sen ytimen varaus. Henry Moseley vahvisti tämän hypoteesin kokeellisesti vuonna 1913 tutkimalla eri alku­aineiden röntgen­spektrejä.

Vuonna 1917 tekemillään kokeilla, joiden tulokset julkaistiin vuonna 1919, Ruther­ford osoitti, että muiden alkuaineiden atomi­ytimissä todella on vety-ytimien kaltaisia hiukkasia. Tätä koetta pidetään usein protonin löytämisenä. Jo aikaisemmin hän oli saanut muodostetuksi paljaita vety-ytimiä antamalla alfasäteilyn vaikuttaa vety­kaasuun, ja ne voitiin tunnistaa tuike­ilmaisimilla. Rutherford havaitsi, että sellaisia syntyi myös alfa­säteilyn vaikuttaessa ilmaan ja vielä enemmän, jos sen annetaan kulkea puhtaan typpikaasun läpi. Koska typpi­ytimestä saattoi irrota vety-ytimen kaltainen hiukkanen, täytyi tämän olla typpi­ytimen rakenne­osana. Lisäksi voitiin todeta, että kokeessa syntyi happea. Rutherford oli siis saanut aikaan ensimmäisen keino­tekoisen ydinreaktion, jota voidaan kuvata seuraavasti: 

 14N + α → 17O + p

tai

 147N + 42He → 17168O + 11H

Rutherford tiesi, että vety oli alku­aineista kevein, ja hän oli myös tietoinen Proutin yli sata vuotta aikaisemmin esittämästä hypoteesista. Havainto, että vety-ytimen kaltaisia hiukkasia oli kaikkien muidenkin alkuaineiden atomiytimistä, johti hänet päätelmään, että tämä ydin oli alkeishiukkanen, jolle oli annettava nimi. Hän antoi tälle nimen protoni (), joka johtui kreikan kielen ensimmäistä tarkoittavasta sanasta πρῶτον (proton). Hänellä oli tällöin mielessään myös Proutin käyttämä termi protyli. British Association for the Advancement of Sciencen kokouksessa Cardiffissä 24. elokuuta 1920 Oliver Lodge pyysi Rutherfordia keksimään vety-ytimelle jonkin uuden nimen erotukseksi neutraalista vety­atomista. Rutherford ehdotti nimiä proton tai vaihto­ehtoisesti William Proutin mukaan proutoni. Myöhemmin hän kertoi, että kokous hyväksyi hänen sille antamansa nimen protoni. Ensimmäisen kerran sana esiintyi tieteellisessä kirjallisuudessa jo samana vuonna.

Katso myös 
Pp-ketju
Vety

Lähteet

Aiheesta muualla 

Particle Data Group – The Review of Particle Physics 

Baryonit
Kationit
Vety
Seulonnan keskeiset artikkelit