Protón

Toto je článok o subatómárnej častici. O katióne vodíka pozri hydrón.

Schéma protónu

Protón
Triedenie
Subatomárne častice
Fermión
Hadrón
Baryón
Nukleón
Protón
Vlastnosti
Hmotnosť:	938 MeV/c2
Elektrický náboj:	1.6 × 10−19 C
Spin:	1/2
Izospin:	1/2
Polčas rozpadu:	stabilný
Stavebné kvarky:	horný, dolný
Pokojová energia:	938,271 998 (38) MeV
Camptonov efekt:	1,321 409 8555 (88)⋅10−15 m
Magnetický moment:	1,410 606 633 (58)⋅10−26 J T−1
g-Faktor:	5,585 694 701 (56)

Protón (p⁺, H⁺; z gréčtiny protos – prvý) je subatomárna častica v jadre atómu. Protón sa ako častica zaraďuje medzi baryóny a skladá sa z dvoch kvarkov u a jedného d, ktoré sa priťahujú silnou interakciou, sprostredkovanou gluónmi. Antičastica protónu je antiprotón, ktorý má rovnako veľký náboj, len opačného znamienka.

Pretože elektromagnetická sila je rádovo silnejšia ako gravitačná sila, musí byť náboj protónu rovnako veľký ako náboj elektrónu, inak by celková kladná či záporná odpudivosť (podľa toho, ktorý by bol väčší – atómy by neboli elektricky neutrálne) spôsobila viditeľnú rozpínavosť vesmíru a telies priťahovaných k sebe gravitačnou silou (planét, hviezd, a podobne).

Protón je považovaný za stabilnú časticu, podľa niektorých teórií sa ale môže rozpadať s polčasom rozpadu vyše 10³⁵ rokov. Overenie tejto hypotézy je stále mimo rozlišovacie schopnosti súčasných experimentálnych zariadení a prípadný rozpad protónu preto nemohol byť doteraz pozorovaný. Jadrom najbežnejšieho izotopu vodíku je jediný protón. Ostatné atomárne jadrá sa skladajú z protónov a neutrónov priťahovaných k sebe silnou interakciou. Protónové číslo určuje chemické vlastnosti atómu ako chemického prvku.

V chémii a v biochémii je protón aj označenie pre vodíkový katión. Vodíkový katión totiž nemá elektrón a obsahuje len jadro, ktoré v prípade ¹H⁺ predstavuje len protón.

Rozmery protónu

Polomer protónu (pozri aj Camptonov efekt) bol v roku 2019 upresnený na 0,833 fm, teda 0,000 000 000 000 833 mm.

Pokojová hmotnosť protónu je 1,6726·10⁻²⁷ kg, čo je ekvivalent jeho pokojovej energie.

Stabilita

Pozorovania ukazujú, že protóny sú stabilné. Je ale známe, že protóny sa menia na neutróny procesom zachytávania elektrónov. Tento proces sa nedeje spontánne, ale iba v tedy, keď je dodaná energia:

$\mathrm {p} ^{+}+\mathrm {e} ^{-}\rightarrow \mathrm {n} +{\nu }_{e}\,$

Tento process je vratný: neutróny sa môžu zmeniť protóny pomocou beta rozpadu, čo je forma rádioaktívneho rozpadu.

Teória veľkého zjednotenia predpovedá výskyt protónového rozpadu, aj keď experimentálne tento ešte nebol potvrdený a z výsledkov experimentov bola dolná hranica životnosti protónu odhadnutá na 10³⁵ rokov.

História

Protón objavil Ernest Rutherford v roku 1918. Pozoroval, že alfa častica vystrelená do plynného dusíka sa v jeho oscilačnom detektore javí rovnako ako jadro vodíka. Rutherford určil, že zdrojom jadier vodíka musí byť dusík a preto musí obsahovať jadro vodíka. Myslel si, že jadrá vodíka, o ktorých vedel, že majú atómové číslo 1, sú elementárne častice. Preto ich pomenoval protón, podľa gréckeho protos – prvý.

Technologické využitie

Protóny majú vlastnosť spin, ktorá bola objavená pomocou nukleárnej magnetickej rezonančnej spektroskopie. Pri NMR sa magnetické pole využíva k detegovaniu zatienenia okolo protónov v jadre látky, ktoré spôsobuje okolitý mrak elektrónov. Vedci z neho môžu získať informácie o usporiadaní molekulárnej štruktúry látky.

Zámer využívať vlastnosti urýchlených protónov v medicíne na liečbu onkologických ochorení predložil Robert. R. Wilson v roku 1946. Táto idea bola prvýkrát uskutočnená v roku 1954 v Berkeley. Na Slovensku by mal zavedeniu protónovej terapie pomôcť projekt Cyklotrónového centra Slovenskej republiky.

Antiprotón

Antiprotón je antičastica k protónu. Antičastica bola objavená v roku 1955 Emiliom Segrenom a Owenom Chamberlainom, za čo dostali v roku 1959 Nobelovu cenu za fyziku.

CPT symetria ukladá silné ohraničenia pre relatívne vlastnosti častíc a antičastíc a preto je otvorené prísnym testom. Napríklad súčet náboja protónu a antiprotónu musí byť v presne nulový. Táto rovnosť bola overená s presnosťou jedna ku 10⁸. Rovnosť hmotností bola tiež overená s presnosťou lepšou ako jedna ku 10⁸.

Referencie

Fyzikálny portál Chemický portál