پروتون چیست؟ – به زبان ساده

پروتون‌های مشابه و عنصرهای متفاوت

تعداد پروتون‌های یک اتم، میزان بار الکتریکی هسته را مشخص می‌کنند. هسته اتم همچنین شامل نوترون است اما نوترون‌ها، بار الکتریکی خنثی دارند. به طور مثال،‌ ۱ پروتون موجود در هسته اتم هیدروژن،‌ بار الکتریکی $$+1$$ را نتیجه می‌دهد یا این‌که در اتم هلیوم،‌ بار الکتریکی هسته به دلیل وجود ۲ پروتون، $$+2$$ ذکر می‌شود.

ماهیت پروتون‌ها

پروتون‌ها از ذرات بنیادی موسوم به «گلوئون» (Gluon) و کوارک تشکیل شده‌اند. همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، هر پروتون شامل ۳ کوارک (دایره‌های رنگی) و ۳ جریان موجی از گلوئون است. دو نوع از کوارک‌ها موسوم به کوارک «بالا» (Up) و کوارک سوم موسوم به کوارک «پایین» (Down) است. این کوارک‌ها به ترتیب با حروف «U» و «D»‌ نشان داده شده‌اند.

گلوئون‌ها نیروی بسیار زیاد بین کوارک‌ها را حمل می‌کنند و سبب پیوند آن‌ها به یکدیگر می‌شوند. با وجود این‌که پروتون‌ها را در حدود ۱۰۰ سال پیش کشف کردند اما کشف کوارک‌ها و لپتون‌ها محدود به سال‌های اخیر است و دانشمندان همچنان در حال بررسی این ذرات بنیادی هستند.

تاریخچه پروتون

مفهوم این ذرات هیدروژن‌مانند به عنوان اجزای تشکیل دهنده اتم‌ها، از گذشته‌های بسیار دور توسعه پیدا کرده است. در اوایل سال 1815، «ویلیام پرووت» (William Prout) بیان کرد که تمامی اتم‌ها، از اتم‌های هیدروژن تشکیل شده‌اند که به آن‌ها، نام «پروتیل» (Protyle) اختصاص داد.

در سال 1917، رادرفورد ثابت کرد که هسته هیدروژن، شامل هسته دیگری است که نتایج این آزمایش را معادل با کشف پروتون می‌دانند. این آزمایشات، بعد از این آغاز شد که رادرفورد متوجه شد زمانیکه ذرات آلفا در هوا (نیتروژن) پرتاب شوند،‌ آشکارسازها، علائمی همچون هسته نیتروژن را نشان می‌دهند. بعد از این مشاهدات، رادرفورد این بار آزمایش دیگری را در نیتروژن خالص انجام داد و مشاهده کرد که اثرات حاصل از آزمایش، بیش‌تر هستند.

در سال 1919، رادرفورد فرض کرد که ذرات آلفا، در اثر برخورد،‌ یک پروتون را از نیتروژن خارج و آن‌را به کربن تبدیل می‌کنند. بعد از مشاهده تصویر «اتاقک ابر بلاکت» (Blackett's Cloud Chamber) در سال 1925،‌ او متوجه شد که عکس این اتقاق رخ می‌دهد یعنی بعد از جذب ذره آلفا، یک پروتون خارج می‌شود و بنابراین، نه کربن، بلکه اکسیژن سنگین خواهیم داشت. و این یعنی Z افزایش پیدا نکرده بلکه کاهش پیدا کرده است. این نتایج با نام «واکنش هسته‌ای» (Nuclear Reaction) گزارش شدند.

$$^{14} N + α → ^ {17} O + p$$

رادرفورد می‌دانست که هیدروژن سبک‌ترین و ساده‌ترین عنصر شناخته شده است و تحت تاثیر نظریه پرووت قرار داشت که بیان می‌کرد هیدروژن، سنگ بنای تمامی عناصر است. کشف این‌که هسته هیدروژن در تمام هسته‌های عناصر وجود دارد سبب شد تا رادرفورد، نام ویژه‌ای به عنوان «ذره» (Particle) را برای هسته هیدروژن در نظر بگیرد چراکه او در این فکر بود که هیدروژن تنها دارای یکی از این ذرات است. او برای این ذره بنیادی،‌ نام پروتون را در نظر گرفت. ریشه این نام نیز یونانی و به معنای «اولین» (First) بود.

پایداری پروتون

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل‌مساله در فرادرس

کلیک کنید

همانطور که گفته شد، واپاشی خودبه‌خودی پروتون‌های آزاد تاکنون مشاهده نشده است و به همین دلیل، پروتون‌ها را به عنوان ذراتی پایدار می‌شناسند. گرچه برخی مطالعات، عمر پروتون را بین $$10 ^ {31}$$ تا $$10 ^ {36}$$ سال ذکر کرده‌اند.

کوارک‌ها و جرم پروتون

در علم «کرومودینامیک کوانتوم» (Quantum Chromodynamics) که نظریه جدید نیروی هسته‌ای به شمار می‌آید،‌ بیش‌تر جرم پروتون‌ها و نوترون‌ها به کمک «نسبیت خاص» (Special Relativity) توصیف می‌شود. جرم پروتون در حدود ۸۰-۱‍۰۰ برابر بیش‌تر از مجموع جرم کوارک‌های سازنده آن است و برای گلوئن‌ها نیز جرم سکون صفر در نظر گرفته می‌شود.

انرژی اضافی کوارک‌ها و گلوئن‌ها در ناحیه‌ای با یک پروتون، ‌در مقایسه با انرژی سکون کوارک‌ها به تنهایی در حالت خلا «QCD»، در حدود ۹۹ درصد جرم را تشکیل می‌دهند. در نتیجه، «جرم سکون» (Rest Mass) پروتون برابر خواهد بود با «جرم نامتغیر» (Invariant Mass) سیستم کوارک‌ها و گلوئن‌های متحرک که ذره را می‌سازند و در چنین سیستمی، حتی انرژی ذرات بدون جرم نیز به عنوان بخشی از جرم سکون سیستم سنجیده می‌شود.

دو عبارت برای مشخص کردن جرم کوارک‌های سازنده پروتون استفاده می‌شود:

جرم «کوارک جاری» (Current Quark) که بیانگر جرم خود کوارک است و جرم «کوارک اساسی» (Constituent Quark) که شامل جرم کوارک جاری بعلاوه جرم میدان ذرات گلوئن اطراف کوارک است. این جرم‌ها به طور معمول، مقادیر متفاوتی دارند. با وجود این‌که گلوئن‌ها به طور ذاتی، جرمی ندارند اما دارای انرژی هستند. جرم پروتون به طور تقریببی برابر با $$938 MeV / c ^2$$ است که جرم سکون ۳ کوراک آن تنها برابر با $$9.4 MeV / c ^2$$ خواهد بود و مابقی جرم به گلوئن‌ها اختصاص داده می‌شود.

شعاع بار در پروتون

فشار داخل پروتون

پروتون در شیمی

مطالبی که تا اینجا مطرح شد، همگی به نوعی با علم فیزیک سروکار داشتند اما در ادامه، به بررسی این ذره در علم شیمی می‌پردازیم. مفاهیمی همچون عدد اتمی و یون هیدروژن از جمله مباحثی هستند که به بررسی پروتون در شیمی می‌پردازند.

عدد اتمی

یون هیدروژن

عبارت پروتون را در شیمی برای بیان یون هیدروژن $$(H ^ +)$$ استفاده می‌کنند. با توجه به این‌که هیدروژن، عدد اتمی برابر با ۱ دارد، یک یون هیدروژن، هیچ الکترونی نخواهد داشت و تنها شامل یک هسته با یک پرتون و بدون نوترون (در بیش‌تر ایزوتوپ‌های آن) خواهد بود. پروتون، بار مثبتی است که شعاع آن به اندازه $$1/64000$$ شعاع اتم هیدروژن ذکر می‌شود و به همین دلیل، به لحاظ شیمیایی بسیار واکنش‌پذیر است.

دوتریوم و تریتیوم

به یونی که با حذف الکترون از اتم دوتریوم تولید می‌شود، به جای پروتون، دوترون می‌گویند. به طور مشابه نیز، با حذف الکترون از یون تریتیوم، تریتون خواهیم داشت.

رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)

پاد پروتون