پروتون

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پروتون
ساختار کوارکی پروتون
ساختار کوارکی پروتون
ذره۲ بالا ۱ پایین
آمارفرمیون
نیروهای بنیادینیروی ضعیف٬نیروی قوی٬نیروی جاذبه٬نیروی الکترومغناطیس
نمادp+
پادذرهپاد پروتون
کشفارنست رادرفورد طبق داده‌های موزلی (۱۹۱۹)
جرم۱٫۶۷۲ ۶۲۱ ۷1(29) × ۱۰−۲۷ kg

۹۳۸٫۲۷۲ ۰۲9(80) MeV/c۲

۱٫۰۰۷ ۲۷۶ ۴۶۶ ۸8(13) u
بار الکتریکی۱٫۶۰۲ ۱۷۶ ۵3(14) × ۱۰−۱۹ C
اسپین½

پروتون (Proton) ذره‌ای ریزاتمی با نماد یا 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 ۱۹-۱۰× 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 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.[۱][۲] سهم جرم سکون کوارک‌ها در جرم پروتون تنها ۱٪ است.[۳] بقیهٔ جرم پروتون برخاسته از انرژی بستگیِ کرومودینامیکِ کوانتومی شامل انرژی جنبشی کوارک‌ها و انرژی میدان‌های گلوئون‌هائی‌ست 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 ۱۵-۱۰ متر) است.[۴] 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 () منجر می‌شود که که فراوان‌ترین جزء ابرهای مولکولی در فضای بین ستارگان است.

شرح[ویرایش]

پروتون، فرمیونی با اسپین ½- است که از سه کوارک ظرفیت ساخته شده[۵] و دارای توزیع بار الکتریکی مثبتی است که با آهنگ نمایی کم می‌شود. شعاع پروتون حدوداً ۰/۸ فمنتو متراست.[۶] 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.

تاریخچه[ویرایش]

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 می‌نامید، تشکیل شده‌اند. پس از آن که مقدارهای دقیق‌تری اندازه‌گیری شدند، این فرضیه رد شد.[۷]

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.[۸]

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.[۹] 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 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 شده‌بود.[۱۰]

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.[۱۱][۱۲][۱۳]

تحقیقات نشان می‌دهد که رعد و برق می‌تواند پروتون‌هایی با انرژی تا چندین ده میلیون الکترون ولت تولید نماید.[۱۴]

ارنست رادرفورد

پروتون‌ها معمولاً در پروتون درمانی یا آزمایش‌های متفاوت فیزیک ذره ای استفاده می‌شوند. یکی از مثال‌های مهم در این زمینه شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی می‌باشد.

پایداری[ویرایش]

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 خودبه‌خود 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 ۳۱+۱۰ و ۳۶+۱۰سال است و در برخی پژوهش‌های تجربی برای عمر میانگین پروتون در اثر واپاشی فرضیِ آن به ذرات دیگر حد پایین تعیین شده‌است.[۱۵][۱۶][۱۷]

در آزمایش‌هائی که در آشکارگر سوپر کامیوکانده در ژاپن انجام شده، حد پایین ۳۳+۱۰ × ۶٫۶ سال برای نیمه‌عمر واپاشی پروتون به پادمیوئون و پیون خنثی و حد پایین ۳۳+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 ماده‌ئی که تحت نظر بوده، نیمه‌عمر پروتون از این مقادیر بیشتر است].[۱۸] در آزمایشی دیگر در رصدخانهٔ نوترینو سادبری در کانادا، پژوهشگران تلاش کردند پرتوهای گاما حاصل از واپاشی هسته‌های به‌جامانده پس از هر نوع واپاشیِ یکی از پروتون‌های هستهٔ اتم اکسیژن ۱۶را آشکار کنند. در این آزمایش حد پایین ۲۹+۱۰× ۲٫۱ سال برای نیمه‌عمر پروتون به دست آمد.[۱۹]

از سوی دیگر، فرایند جذب الکترون و تبدیل پروتون به نوترون (که واپاشی بتای وارون نیز نام دارد)، فرایندی شناخته‌شده در فیزیک است. این فرایند برای پروتون آزاد خودبه‌خود 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.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Encyclopedia of Nuclear Physics and its Applications, 390.
  2. Cottingham، W. N.؛ Greenwood، D. A. (۲۰۰۱). An Introduction to Nuclear Physics. Cambridge: Cambridge University Press. شابک ۹۷۸۱۱۳۹۱۶۴۴۰۵.
  3. "Has the mass of the common quark been nailed down?". Physics Today. 2010. doi:10.1063/pt.5.024218. ISSN 1945-0699.
  4. Castelvecchi, Davide (2017-10-05). "Proton-size puzzle deepens". Nature. doi:10.1038/nature.2017.22760. ISSN 1476-4687.
  5. Adair, R.K. (۱۹۸۹). The Great Design: Particles, Fields, and Creation. Oxford University Press. ص. ۲۱۴.
  6. (Jean-Louis)، Basdevant, J. L. (۲۰۰۵). Fundamentals in nuclear physics: from nuclear structure to cosmology. New York: Springer. OCLC 262679959. شابک ۰۳۸۷۰۱۶۷۲۴.
  7. Eric R. (۲۰۰۷). The periodic table its story and its significance. Oxford: Oxford University Press. شابک ۹۷۸-۰-۱۹-۵۳۴۵۶۷-۴. مقدار |شابک= را بررسی کنید: invalid character (کمک).
  8. Wien, W. (1904). "Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte". Annalen der Physik. 318 (4): 669–677. doi:10.1002/andp.18943180404. ISSN 0003-3804.
  9. Petrucci, R.H. ; Harwood, W.S. ; Herring, F.G.. (۲۰۰۲). General Chemistry (ویراست هشتم). ص. ۴۱.
  10. Pais، Abraham (۲۰۰۲). Inward bound: of matter and forces in the physical world (ویراست Repr). Oxford: Clarendon Press [u.a.] ص. ۲۹۶. شابک ۰۱۹۸۵۱۹۹۷۴.
  11. "Meeting announcement". The Laryngoscope. 94 (1): 117–117. 1984-01. doi:10.1002/lary.5540940122. ISSN 0023-852X. Check date values in: |date= (help)
  12. Romer, Alfred (1997-08). "Proton or prouton?: Rutherford and the depths of the atom". American Journal of Physics. 65 (8): 707–716. doi:10.1119/1.18640. ISSN 0002-9505. Check date values in: |date= (help)
  13. Wilkes, Richard Jeffrey (2017-11-15). "Experimental Neutrino Physics".
  14. Köhn, Christoph; Diniz, Gabriel; Harakeh, Muhsin N. (2017-01-27). "Production mechanisms of leptons, photons, and hadrons and their possible feedback close to lightning leaders". Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 122 (2): 1365–1383. doi:10.1002/2016jd025445. ISSN 2169-897X. PMC 5349290. PMID 28357174.
  15. Lee، Dae-Gyu؛ Mohapatra، R.؛ Parida، M.؛ Rani، Merostar (ژانویه ۱۹۹۵). «Predictions for the proton lifetime in minimal nonsupersymmetric SO(10) models: An update». Physical Review D. ۵۱ (۱): ۲۲۹–۲۳۵. doi:10.1103/PhysRevD.51.229.
  16. Buccella, F.; Miele, G.; Rosa, L.; Santorelli, P.; Tuzi, T. (1989-12). "An upper limit for the proton lifetime in SO(10)". Physics Letters B. 233 (1–2): 178–182. doi:10.1016/0370-2693(89)90637-0. ISSN 0370-2693. Check date values in: |date= (help)
  17. Lee, Dae-Gyu (1995). "Predictions for the proton lifetime in minimal nonsupersymmetric SO(10) models: An update". Physical Review D. 51 (1): 229–235. doi:10.1103/PhysRevD.51.229.
  18. Watanabe, H.; Zhang, H.; Abe, K.; Hayato, Y.; Iida, T.; Ikeda, M.; Kameda, J.; Kobayashi, K.; Koshio, Y. (2009-05). "First study of neutron tagging with a water Cherenkov detector". Astroparticle Physics. 31 (4): 320–328. doi:10.1016/j.astropartphys.2009.03.002. ISSN 0927-6505. Check date values in: |date= (help)
  19. Ahmed, S.; et al. (2004). "Constraints on Nucleon Decay via Invisible Modes from the Sudbury Neutrino Observatory". Physical Review Letters. 92 (10): 102004. arXiv:hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. doi:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID 15089201. Unknown parameter |s2cid= ignored (help)

پیوند به بیرون[ویرایش]