Πρωτόνιο

Πρωτόνιο

Τα κουάρκ στη δομή του πρωτονίου. Το χρώμα κάθε κουάρκ είναι αυθαίρετο, αλλά πρέπει να είναι παρόντα και τα τρία χρώματα. Οι δυνάμεις μεταξύ των κουάρκ μεσολαβούνται από γκλουόνια
Ταξινόμηση	Βαρυόνιο
Σύνθεση	2 Up κουάρκ, 1 Down κουάρκ
Στατιστική	Φερμιονική
Αλληλεπιδράσεις	Βαρυτική, ασθενής, ισχυρή, ηλεκτρομαγνητική
Σύμβολο	p, p+, N+
Αντισωματίδιο	Αντιπρωτόνιο (p)
Προβλέφθηκε θεωρητικά	Γουίλιαμ Προυτ (1815)
Ανακαλύφθηκε	Έρνεστ Ράδερφορντ (1917–1919, πήρε το όνομα του από τον ίδιο το 1920)
Αναλλοίωτη μάζα	1.672621777(74) × 10-27 kg 938.272046(21) MeV/c2 1.007276466812(90) u
Μέσος χρόνος ζωής	>2.1 × 1029 έτη (σταθερό)
Ηλεκτρικό φορτίο	+1 e 1.602176565(35) × 10-19 Cb
Ακτίνα φορτίου	0.8775(51) fm
Ηλεκτρική διπολική ροπή	<5.4 × 10-24 e·cm
Ηλεκτρική πολωσιμότητα	1.20(6) × 10-3 fm3
Μαγνητική ροπή	1.410606743(33) × 10-26 J·T−1 1.521032210(12) × 10-3 μB 2.792847356(23) μN
Μαγνητική πολωσιμότητα	1.9(5) × 10-4 fm3
Φορτίο χρώματος	Κανένα
Σπιν	½
Ισοσπίν	½
Ομοτιμία	+1

Το πρωτόνιο είναι ένα από τα υποατομικά σωματίδια, που θεωρούνταν παλιότερα-μέχρι την δεκαετία του '70- στοιχειώδες σωμάτιο, αλλά αργότερα βρέθηκε ότι έχει εσωτερική δομή. Ως νουκλεόνιο, είναι ένας από τούς βασικούς δομικούς λίθους των πυρήνων των ατόμων και μαζί με τα νετρόνια είναι η κύρια μάζα του ατόμου (συμβατικά θεωρούμε ότι τα νουκλεόνια αποτελούν το σύνολο της μάζας του ατόμου). Επίσης κατατάσσεται στην κατηγορία των αδρονίων και συγκεκριμένα στα βαρυόνια με βαρυονικό αριθμό ένα, ενώ με βάση το σπιν του (που είναι 1/2) και της στατιστικής που το περιγράφει, κατατάσσεται και στα φερμιόνια. Έχει βρεθεί ότι είναι σύνθετο σωμάτιο.

Σύσταση

Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο αποτελείται από τρία κουάρκ, δύο "πάνω" (up) και ένα "κάτω" (down) που συνδέονται με την ισχυρή αλληλεπίδραση του πυρήνα των ατόμων, που είναι υπεύθυνη για τις δυνάμεις που συγκρατούν τα πρωτόνια με νετρόνια, καθώς και με άλλα πρωτόνια. Στην πραγματικότητα,ένα πρωτόνιο αποτελείται από αναρίθμητα (up) και (down) κουάρκ και αντικουάρκ, με την προϋπόθεση ότι τα (up) κουάρκ είναι πάντα κατά δύο περισσότερα από ότι τα αντίστοιχα (up) αντικουάρκ και τα (down) κουάρκ είναι κατά ένα περισσότερα από ότι τα αντίστοιχα (down) αντικουάρκ. Παράλληλα το πρωτόνιο αποτελείται και από αναρίθμητα γκλουόνια ή γλοιόνια,που λειτουργούν ως φορείς της ισχυρής αλληλεπίδρασης μεταξύ των κουάρκ.

Χαρακτηριστικά

Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου ονομάζεται «ατομικός αριθμός» είναι μοναδικός για κάθε χημικό στοιχείο και επομένως καθορίζει το είδος του ατόμου και κατά συνέπεια τις χημικές του ιδιότητες. Ο πυρήνας όλων των ατόμων Υδρογόνου, για παράδειγμα, περιλαμβάνει ένα πρωτόνιο. Αυτός όλων των ατόμων Ηλίου περιλαμβάνει δύο και όλων ατόμων Λιθίου τρία πρωτόνια (τα ισότοπά τους διαφέρουν κατά τον αριθμό νετρονίων που περιλαμβάνει ο πυρήνας). Ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων ταξινομεί τα άτομα με βάση τον ατομικό τους αριθμό, που ταυτίζεται με τον αριθμό των πρωτονίων που έχει το καθένα. Στα ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα ο αριθμός των πρωτονίων είναι πάντοτε ίσος με τον αριθμός των ηλεκτρονίων και λόγω αυτού ο ατομικός αριθμός Ζ δηλώνει συγχρόνως και τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα λόγω της ελκτικής ηλεκτρικής δυνάμεως που τους ασκείται από τα πρωτόνια (διότι είναι δύο ετερώνυμα φορτισμένα σωματίδια). Το πρωτόνιο είναι θετικά φορτισμένο σωμάτιο, με φορτίο αντίθετο από το φορτίο του ηλεκτρονίου (ίσο με 1.602 × 10^-19 Cb, θεωρείται ως η στοιχειώδης μονάδα θετικού ηλεκτρισμού ή θετικού ηλεκτρικού φορτίου (και αντίστοιχα το ηλεκτρόνιο θεωρείται ως η στοιχειώδης μονάδα αρνητικού ηλεκτρισμού.

Η μάζα του

Έχει μάζα 938,3 MeV/c² (1,67262158 × 10⁻²⁷ kg), ή περίπου 1.836 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου (η ατομική μονάδα μάζας (AMU) είναι 1,66053886 × 10⁻²⁷ kg). Η μάζα ενός πρωτονίου είναι ελάχιστα μικρότερη από την μάζα ενός νετρονίου (το νετρόνιο έχει μάζα ίση με περίπου 1,674 × 10⁻²⁷ kg), συμβατικά θεωρούμε ότι έχουν ίσες μάζες.

Χρόνος ζωής, φορτίο και μάζα

Το πρωτόνιο έχει απροσδιόριστα μεγάλο χρόνο ζωής (ο ελάχιστος πιθανός χρόνος ημιζωής έχει υπολογιστεί σε 10³⁵ έτη). Στο καθιερωμένο μοντέλο θεωρείται απολύτως σταθερό, πρόβλεψη που συμφωνεί με τα μέχρι τώρα πειραματικά δεδομένα. Τα πρωτόνια παρότι είναι και αυτά σωματίδια που διαθέτουν ηλεκτρικό φορτίο, όπως και τα ηλεκτρόνια, εντούτοις δεν συμμετέχουν στα φαινόμενα ηλέκτρισης της ύλης για δύο λόγους: Πρώτος λόγος είναι το γεγονός ότι τα πρωτόνια έχουν πολύ μεγαλύτερη μάζα από ότι τα ηλεκτρόνια (περίπου 1.836 φορές μεγαλύτερη), συνεπώς τα πρωτόνια έχουν και 1.836 φορές μεγαλύτερη αδράνεια από ότι τα ηλεκτρόνια (διότι η μάζα λειτουργεί ως μέτρο αδράνειας-δεύτερος νόμος του Νεύτωνα, άρα πιο εύκολα μετακινούνται τα ηλεκτρόνια από άτομο σε άτομο παρά τα πρωτόνια. Δεύτερος (και κυριότερος) λόγος είναι το γεγονός ότι τα πρωτόνια βρίσκονται εγκλωβισμένα στον ατομικό πυρήνα, ως νουκλεόνια, άρα τους ασκείται συνεχώς η ισχυρή πυρηνική δύναμη (που ασκείται μεταξύ δύο οποιονδήποτε νουκλεονίων), η οποία και εμποδίζει τα πρωτόνια να διαφύγουν από τα όρια του πυρήνα. Συνεπώς η ηλέκτριση των σωμάτων οφείλεται καθαρά και μόνο στην μετακίνηση ηλεκτρονίων,όπου αντίστοιχα όταν από ένα ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο "φεύγουν" ηλεκτρόνια,τότε έχουμε έλλειμμα ηλεκτρονίων και υπερισχύει το θετικό φορτίο των πρωτονίων(δημιουργείται κατιόν, ενώ στα ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα που εισέρχονται επιπλέον ηλεκτρόνια έχουμε πλεόνασμα ηλεκτρονίων και υπερισχύει το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων(δημιουργείται ανιόν).

Ανακάλυψη

Η έννοια του πρωτονίου επινοήθηκε το 1911 από τον φυσικό Ράδερφορντ ενώ πειραματιζόταν στο πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, της Αγγλίας. Τότε είτε ο Ράδερφορντ είτε κάποιος φοιτητής του τοποθέτησε φύλλα χρυσού μπροστά από μια πηγή ακτίνων α (μορφή ραδιενεργής ακτινοβολίας). Παρατηρήθηκε ότι τα σωματίδια α (πυρήνες ηλίου He-4) επέστρεφαν πίσω στην ραδιενεργή πηγή, σαν κάτι να τα απωθούσε από τα φύλλα χρυσού. Ο Ράδερφορντ υπέθεσε ότι τα σωματίδια α καθώς συγκρούονταν με τα άτομα του χρυσού συναντούσαν θετικό ηλεκτρικό φορτίο και έτσι απωθούνταν,οπότε φαντάστηκε την ύπαρξη θετικών σωματιδίων μέσα στο άτομο. Όμως για να δικαιολογήσει και το γεγονός ότι τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα-στην κανονική τους μορφή-υπέθεσε ότι υπάρχουν και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια μέσα στο άτομο (τα ηλεκτρόνια, τα οποία και περιφέρονταν γύρω από τα πρωτόνια (αρχικά με άτακτο τρόπο-μόντελο Ράδερφορντ). Μάλιστα, ο Ράδερφορντ ταύτιζε την έννοια του πρωτονίου με την έννοια του πυρήνα, στα άτομα υδρογόνου.

Μεγάλος επιταχυντής

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (ο ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων) βασίζεται επάνω σε συγκρούσεις πρωτονίων τα οποία ωθούνται με τόσο μεγάλη ταχύτητα (κοντά στην ταχύτητα του φωτός) που κατά τις συγκρούσεις τους με άλλα αδρόνια διασπώνται σε άλλα μικρότερα σωματίδια (λόγω του ότι τα κουάρκ που τα αποτελούν δεν ασκούν τόσο ισχυρή έλξη μεταξύ τους), τα οποία οι θεωρητικοί φυσικοί προσπαθούν να τα ανιχνεύσουν ή να τα προβλέψουν (με βάση δεδομένα συστημάτων υπολογιστών).