Proton

Ovo je glavno značenje pojma Proton. Za druga značenja pogledajte Proton (razdvojba).

Proton (engl., prema grč. πρῶτον: prvo; oznaka p) je stabilna subatomska čestica koja je sastavni dio svih atomskih jezgri. Pozitivnoga je električnoga naboja 1,6022 · 10^–19 C, mase koja iznosi 1 836 masa elektrona (1,672 622 · 10^–27 kg = 938,272 MeV/c² = 1,007 276 u), spina 1/2, magnetskoga momenta 2,79285 nuklearnih magnetona, a opisana je Fermi-Diracovom statistikom. Proton je jezgra vodikova izotopa ¹H, a s nešto težim neutronom gradi atomske jezgre. Općenito je brojem protona u atomskoj jezgri nekoga kemijskoga elementa određen njegov atomski broj. Proton je građen od dvaju gornjih (u) kvarkova i jednoga donjega (d) kvarka. Zbog svojega je električnoga naboja i stabilnosti pogodan za ubrzavanje na vrlo visoke energije i brzine bliske brzini svjetlosti, na ubrzivačima čestica (na primjer veliki hadronski sudarivač). Proton je otkrio E. Rutherford (1919. – 1920.) prilikom pokusa u kojemu se dušik ¹⁴N bombardiran alfa-česticama pretvarao u kisik ¹⁷O, dakle:

Proton
Proton je građen od dvaju gornjih (u) kvarkova i jednoga donjega (d) kvarka. Odabir boja pojedinih kvarkova je proizvoljan, ali sve tri boje moraju biti prisutne. Jake nuklearne sile između kvarkova posredovane su gluonima.
Klasifikacija:	Barion
Kompozicija:	2 gornja kvarka, 1 donji kvark
Čestična statistika:	Fermion
Međudjelovanje:	Gravitacijsko, slabo, jako, elektromagnetsko
Simbol(i):	p, p+, N+, 11H+
Antičestica:	Antiproton
Teoretiziran:	William Prout (1815.)
Otkriven:	Promatrao kao H+ E. Goldstein (1886.). Identificirao u drugim jezgrama (i imenovao) E. Rutherford (1917. – 1920.).
Masa:	1,67262192369(51)× −27 kg 938,2720813(58) MeV/c2 1,007276466879(91) u
Vrijeme poluraspada:	> 2,1×1029 godina (stabilan)
Električni naboj:	+1 e 1,6021766208(98)×10−19 C
Nabojni radius:	0,8414(19) fm
Electric dipole moment:	< 5,4×10−24 e⋅cm
Electrična polarizabilnost:	1,20(6)×10−3 fm3
Magnetski moment:	1,4106067873(97)×10−26 J·T−1 1,5210322053(46)×10−3 μB 2,7928473508(85) μN
Magnetska polarizabilnost:	1,9(5)×10−4 fm3
Spin:	1⁄2
Izospin:	1⁄2
Paritet:	+1

Tri prirodna izotopa vodika, koji se razlikuj po broju neutrona u atomskoj jezgri. S lijeva na desno: procijum ¹H je bez neutrona, deuterij ²H s jednim neutronom i tricij ³H s dva neutrona.

Prikaz atoma helija s oblakom elektrona u nijansama sive. U jezgri su dva protona i dva neutrona prikazana crveno i plavo.

1/12 mase atoma ugljika ¹²C je danas atomska jedinica mase.

Vrijeme poluraspada radioaktivnih izotopa ili radionuklida. Treba zapaziti da se teoretska linija za stabilne isotope Z = N (Z – atomski broj i N - neutronski broj), razdvaja od stvarnog odnosa atomskog broja i neutrona, što znači da se s povećanjem atomskog broja, povećava i nestabilnost atomskih jezgri.

Tunel LHC-a (Veliki hadronski sudarivač).

Model tekuće kapljice atomske jezgre.

${}_{7}^{14}\mathrm {N} +{}_{2}^{4}\mathrm {He} \rightarrow {}_{8}^{17}\mathrm {O} +{}_{1}^{1}\mathrm {p}$

Atomska teorija

U atomskoj teoriji materije, atom se sastoji od atomske jezgre oko koje kruže elektroni. Danas je općenito priznato mišljenje da se atomska jezgra svih kemijskih elemenata sastoji od pozitivno nabijenih protona i neutrona koji nemaju električni naboj. Čestice koje se nalaze u atomskoj jezgri, to jest protoni i neutroni, zovu se zajedničkim imenom nukleoni (lat. nucleus: jezgra). Neutron ima masu gotovo jednaku masi protona. Proton je jezgra vodikovog atoma, pa mu je masa jednaka masi atoma vodika. Broj protona u atomskoj jezgri koji se zove atomski broj, jednak je njezinom električnom naboju i uvijek odgovara rednom broju kemijskog elementa u periodnom sustavu. Dakle atomskim brojem određena je vrsta kemijskog elementa.

U neutralnom atomu broj elektrona što kruže oko jezgre jednak je broju protona u jezgri. Pozitivan naboj jednog protona jednako je velik kao negativan naboj elektrona. 1869. ruski kemičar D. I. Mendeljejev otkrio je zakonitost ponavljanja kemijskih svojstva elemenata kod povećanja njihove atomske mase. On je tada sve poznate elemente poredao po rastućim atomskim masama jedan iznad drugoga i sastavio periodičku tablicu. Mendeljejev je dokazao da svaki kemijski element ima određen sastav atoma koji označuje atomska masa i mjesto u periodnom sustavu elemenata.

Broj protona P i neutrona N u jezgri određuje atomsku masu A određenog elementa, to jest:

$A=P+N$

i zove se maseni broj atoma. Na primjer jezgra helija sastoji se od dva protona i dva neutrona. Prema tome je električni naboj jezgre i redni broj helija 2, a relativna atomska masa 4. Oko atomske jezgre kruže negativno nabijeni elektroni, a broj elektrona jednak je broju protona u jezgri.

No kod istog broja protona u jezgri mogu postojati različite količine neutrona. Dva atoma koji imaju isti broj protona, a različiti broj neutrona, imaju skoro ista kemijska svojstva i isti redni broj, ali različite atomske mase. Takvi se elementi koji imaju isti redni broj, a različitu atomsku masu, zovu izotopi. Tako na primjer postoji klor koji ima redni broj 17, to jest njegova jezgra sadrži 17 protona, dok mu je atomska masa 35, što znači da jezgra njegova atoma sadrži 18 neutrona (17 + 18 = 35). Međutim, postoji i klor s atomskom masom 37, to jest jezgra njegova atoma sadrži 20 neutrona (17 + 20 = 37). Običan klor koji se nalazi u spojevima u prirodi ima atomsku masu 35,46, što znači da je on smjesa tih dvaju izotopa koji su u njemu zastupani u omjeru 3 : 1, to jest:

${\frac {\mathrm {3\cdot 35+1\cdot 37} }{\mathrm {4} }}=\mathrm {35,5}$

Prvi izotop klora pišemo simbolički ₁₇Cl³⁵, a drugi ₁₇Cl³⁷. Gornji broj uz kemijski simbol elementa znači relativnu atomsku masu tog elementa, a donji - broj protona u jezgri tog elementa, odnosno njegov redni broj. I vodik ima svoje izotope: ₁H¹ obični vodik, ₁H² teški vodik ili deuterij i ₁H³ tricij.

Ovakvi izotopi nađeni su gotovo kod svih kemijskih elemenata. Tako uranij, koji je najvažniji u dobivanju nuklearne energije, ima 5 izotopa. Uranij ima redni broj 92, a njegovi izotopi imaju atomske mase 234, 235, 237, 238 i 239. U prirodnom uraniju najjače je zastupljen izotop s atomskom masom 238. Ima ga 137 puta više nego izotopa s atomskom masom 235. Ostalih njegovih izotopa ima još i manje. Izotopi se danas vrlo mnogo primjenjuju u medicini, tehnici i privredi, a naročito su veoma važni u proizvodnji nuklearne energije. Odjeljivanje izotopa vrši se centrifugiranjem, destilacijom, difuzijom i tako dalje.

Da se jezgra atoma koja se sastoji od pozitivno nabijenih protona ne razleti, jer se istoimeni električni naboji međusobno odbijaju, uzrok su privlačne sile koje vladaju, između protona i neutrona. To su takozvane sile jezgre ili osnovne sile koje, iako su vrlo velike, djeluju samo na vrlo male daljine, to jest u dimenzijama atomske jezgre. Tumačenje tih sila spada danas u glavne probleme atomske fizike.

Sastav atomskih jezgara

Podrobniji članak o temi: Rutherfordovo raspršenje

Iskustvena potvrda Rutherfordove jednadžbe, učvrstila je pretpostavku da između alfa-čestica i atomskih jezgara vladaju poznate Coulombove sile. Na osnovu toga može se proračunati kako blizu jezgri dopre alfa-čestica koja se otklanja pod određenim kutom. Čestice vrlo velikih brzina mogu doći sasvim blizu tako da je ispitana Coulombova sila sve do udaljenosti 10^-14 metara. Dođu li izvanredno brze alfa-čestice još na veću blizinu atomskoj jezgri, slika s pokusa ne proizlazi više iz odbojnog Coulombova potencijala. Između alfa-čestica i jegri javljaju se nove sile, koje znatno prevladavaju Coulombov električni potencijal. Po Rutherfordu možemo kao polumjer atomske jezgre odrediti onu udaljenost kod koje prestaje između alfa-čestica i atomske jezgre vrijediti Coulombova odbojna sila. Taj polumjer iznosi za najteže atomske jezgre oko 10^-14 metara.

Bez obzira na to kakve su sile između atomskih jezgara na velikim i malim udaljenostima, osnovno načelo mehanike: zakon o održanju impulsa i energije, moraju vrijediti za sve srazove. Predočimo sebi alfa-česticu, koja udari o neku drugu atomsku jezgru. Prije sraza ima alfa-čestica impuls sile m₁∙v, gdje je m₁ masa alfa-čestice, a v njena brzina prije sraza. Kad udari u atomsku jezgru, prenosi dio svojeg impulsa i poprima impuls m₁∙v’. Po zakonu o održanju impulsa mora impuls alfa-čestice prije sraza biti jednak zbroju impulsa obiju čestica poslije sraza:

$m_{1}\cdot v=m_{1}\cdot v'+m_{2}\cdot v''$

Ovu vektorsku jednadžbu možemo pisati u komponentama u smjeru osi y i x:

$m_{1}\cdot v=m_{1}\cdot v'\cdot \cos \theta _{1}+m_{2}\cdot v''\cdot \cos \theta _{2}$

$0=m_{1}\cdot v'\cdot \sin \theta _{1}-m_{2}\cdot v''\cdot \sin \theta _{2}$

Od prvobitnog smjera otklonjena je alfa-čestica za kut θ₁, a jezgra za kut θ₂. Prva nam je jednadžba sistema kaže da je prvobitni impuls alfa-čestice jednak zbroju impulsa obiju čestica u prvobitnom smjeru. Druga jednadžba kaže da se impulsi obiju čestica, okomiti na prvobitni smjer, poništavaju.

Prema zakonu o održanju energije mora kinetička energija alfa-čestica prije sraza biti jednaka zbroju kinetičkih energija obiju čestica poslije sraza:

${\frac {1}{2}}\cdot m_{1}\cdot v^{2}={\frac {1}{2}}\cdot m_{1}\cdot v'^{2}+m_{2}\cdot v''^{2}$

Srazove između alfa-čestica i jezgri možemo motriti u Wilsonovoj komori. Alfa-čestice poznate brzine dolaze do radioaktivne tvari i prolaze kroz plin komore. Tad se često opazi da se staza neke alfa-čestice savije, a od mjesta pregiba odleti druga čestica. Brzine obiju čestica mogu se izmjeriti, a isto tako i kutovi njihovih staza s prvobitnim smjerom. Unesu li se vrijednosti iz pokusa za v’, v”, θ₁ i θ₂ u jednadžbu impulsa i energije, uvijek se nalazi da su jednadžbe ispunjene. Zakoni o održanju impulsa i energije vrijede strogo za sve srazove.

Brzine čestica nakon sraza dadu se mjeriti pomoću savijanja u magnetskom polju ili iz duljine i debljine staze. Ali one se mogu i ukloniti iz zadnje dvije jednadžbe. Tad nam preostaje još jedna jednadžba, u kojoj dolaze mase čestica i kutovi otklona:

$m_{2}=m_{1}\cdot {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin(\theta _{1}+2\cdot \theta _{2})}}$

Iz te jednadžbe može se prema izmjerenim kutovima θ₁ i θ₂ izračunati masa udarene jezgre. Ta je metoda vrlo prikladna da se ustanovi koja je atomska jezgra u Wilsonovoj komori zadobila udarac.

Često je najzgodnije da se promatraju središnji srazovi. Tad alfa-čestica i jezgra lete u prvobitnom smjeru. U gornjim jednadžbama moramo staviti θ₁ = 0 i θ₂ = 0. Iz zakona o održanju impulsa i energije:

$m_{1}\cdot v=m_{1}\cdot v'+m_{2}\cdot v''$

${\frac {1}{2}}\cdot m_{1}\cdot v^{2}={\frac {1}{2}}\cdot m_{1}\cdot v'^{2}+m_{2}\cdot v''^{2}$

možemo isključivanjem odmah izračunati brzinu koju dobiva atomska jezgra pri srazu:

$v''={\frac {2\cdot m_{1}}{m_{1}+m_{2}}}\cdot v$

Na primjer kod udarca alfa- čestice na proton (atom vodika) dobivamo:

$v''=1,6\cdot v$

To znači da je brzina protona 60% veća od prvobitne brzine alfa-čestice. No središnje udareni protoni imaju najveću brzinu. Ta najveća brzina može se mjeriti i prema mjerenjima je zaista 1,6 puta veća od početne brzine alfa-čestice. Zadnja jednadžba omogućuje nam da, mjereći najveće brzine udarenih atomskih jezgri, izračunamo njihove mase. To je jedna od najboljih metoda da se utvrde nepoznate atomske jezgre u Wilsonovoj komori.

Nuklearna reakcija

Podrobniji članak o temi: Nuklearna reakcija

Pri točnijem ispitivanju prolaza alfa-čestica kroz Wilsonovu komoru bili su ipak otkriveni i protoni s mnogo većim brzinama nego što bi to odgovaralo središnjem srazu. Paradoks se objasnio kad je Rutherford opazio da ti brzi protoni dolaze i onda kad alfa-čestice prolaze kroz tvari u kojima nema vodika. Rutherford je pustio alfa-čestice kroz čisti dušikov plin i na veliko iznenađenje opazio da se od alfa-čestica odvaja staza jednog protona. Rutherford je odmah ispravno protumačio da se tu događa pretvorba atomskih jezgara, alfa-čestica prodre u dušikovu jezgru, a jedan proton biva izbačen. Kemijskim simbolima možemo tu reakciju pisati:

${}_{7}^{14}\mathrm {N} +{}_{2}^{4}\mathrm {He} \rightarrow {}_{8}^{17}\mathrm {O} +{}_{1}^{1}\mathrm {H}$

Gornji indeksi označuju masu atomskih jezgri, a donji njihov naboj ili redni broj elementa. Primitkom jedne alfa-čestice i gubitkom jednog protona povećava se masa dušikove jezgre za 3, a naboj za 1, pa iz dušika dobivamo kisikov izotop s atomskom težinom 17.

Sad je bilo jasno, zašto se javljaju i protoni većih energija nego što bismo ih dobili središnjim srazom alfa-čestica. Višak energije protona potječe od energije atomske jezgre. Reakcije atomskih jezgri mogu teći s dobitkom ili gubitkom energije, a tu razliku u energijama nose izbačene čestice. Pretvorbe atomskih jezgri iznijele su na vidjelo da su protoni sastavni dijelovi svih atomskih jezgri. No vidi se odmah da pored njih moraju u izgradnji jezgri sudjelovati i druge čestice. Dva protona dala bi doduše naboj helijeve jezgre, ali ta jezgra ima 4 puta veću masu od protona. Nastala je potraga za česticama pored protona u atomskim jezgrama.

W. Bothe i Herbert Becker su 1930. opazili da pri obasjavanju lakih elemenata alfa-česticama nastaje neko vrlo prodorno zračenje. Malo kasnije našli su I. Joliot-Curie i F. Joliot-Curie da nove zrake bivaju jako apsorbirane u tvarima koje obiluju vodikom. Iz tih tvari nove zrake izbijaju protone s brzinama oko desetine brzine svjetlosti. Prirodu tih zraka Chadwick je malo kasnije ispitivao u Wilsonovoj komori. Zagonetne zrake nisu se vidjele u Wilsonovoj komori - znak da ne nose električni naboj. No opet to nisu mogle biti ni gama zrake. U Wilsonovoj komori vidi se kako lake jezgre, kao protoni, helijeve, litijeve, berilijeve i ugljikove jezgre, zadobivaju snažne udarce, što se ne može objasniti djelovanjem elektromagnetskih valova. J. Chadwick je objasnio ova opažanja hipotezom o novoj vrsti čestica - neutronima. Te čestice nemaju električnog naboja pa ne ioniziraju i ne vide se u Wilsonovoj komori. Brzinu i masu nevidljivih čestica možemo proračunati tako da motrimo najveće brzine udarenih atoma. Chadwick je mjerio najveće brzine udarenih protona i dušikovih atoma. Za omjer najvećih brzina protona i dušikovih jezgri dobiva se prema:

${\frac {v_{H}}{v_{N}}}={\frac {x+14}{x+1}}$

gdje je: x - masa neutrona. Najveće brzine udarenih protona su oko 7 puta veće od najvećih brzina dušikovih atoma. Za masu neutrona dobiva se odatle vrijednost 1. Neutroni, dakle, imaju otprilike istu masu kao i protoni. Time se direktno objašnjava zašto nove zrake izbacuju snažno protone iz tvari bogatih vodikom. Kao kod sraza biljarskih kugli, tako i tu mogu neutroni najjače pokrenuti jednako teške protone.

Iste godine kad je otkriven neutron, postavili su D. D. Ivanjenko i W. Heisenberg hipotezu, da su atomske jezgre građene od protona i neutrona. Ova hipoteza održala se i kasnije i temelj je čitave nuklearne fizike. Pri razbijanju jezgara nalazimo uvijek protone, neutrone ili lake jezgre, a nikada ne elektrone i pozitrone.

Vidjeli smo da su atomske težine približno cijeli brojevi. Zaokružene relativne atomske težine, kao čiste cijele brojeve bez fizičke dimenzije, označit ćemo s A. Atomska težina A pokazuje ukupan broj sastavnih dijelova jezgre, a redni broj Z daje broj protona. Svaka atomska jezgra određena je s ta dva podatka: A i Z. Nađene su, ipak, i različite atomske jezgre s istim A i Z, ali po svemu se čini da se tu radi o dva različita kvantna stanja iste jezgre. Mi ćemo odsad pretpostaviti da atomska težina i redni broj jednoznačno opisuju vrstu atomske jezgre. Atomske jezgre s jednakim brojem protona, a različitom masom, zovemo izotopima. Atomske jezgre s jednakim brojem čestica zovu se izobare.

Atomskih jezgara ima mnogo više od kemijskih elemenata, jer neki kemijski elementi imaju i preko 10 različitih izotopa. Može se grafički dobiti lijep pregled nad svim jezgrama tako da pojedine jezgre nanesemo kao točke u križaljku, kod koje apscisa određuje broj protona, a ordinata broj neutrona. Iz položaja jezgre u tablici može se odmah razabrati od koliko je protona i neutrona građena. Izvučena dijagonala na tablici označuje one jezgre kod kojih je broj protona jednak broju neutrona. Ispod dijagonale broj je protona veći od broja neutrona, a iznad dijagonale preteže broj neutrona u jezgri.

Već kratki pregled nad poznatim jezgrama odmah pokazuje da u prirodi nisu ostvarene sve moguće kombinacije između protona i neutrona. Kod jezgri je broj protona približno jednak broju neutrona. Kod lakih jezgri vrijedi ovaj zakon vrlo točno. Najčešće jezgre u prirodi, kao helij ₂He⁴, ugljik ₆C¹², dušik ₇N¹⁴, kisik ₈O¹⁶, magnezij ₁₂Mg²⁴, silicij ₁₄Si²⁸, sumpor ₁₆S³², kalcij ²⁰Ca⁴⁰, građene su od jednakog broja protona i neutrona. Dolaze i izotopi tih jezgri, kod kojih je ta simetrija između protona i neutrona za jednu ili dvije ili tri čestice narušena, ali se ipak sve te jezgre gomilaju oko dijagonale kod koje je broj protona jednak broju neutrona. Ta približno ostvarena simetrija između broja neutrona i protona jedan je od temeljnih zakona fizike jezgre, i mi ćemo morati tražiti razlog te simetrije. Kod težih jezgri prevladava sve više broj neutrona nad brojem protona. Suvišak neutrona nad protonima iznosi kod teških jezgri po više desetaka. "Rijeka" jezgri završava s uranijem, koji ima električni naboj 92 i masu 238. Broj neutrona kod te jezgre jednak je razlici između mase i naboja, dakle 238 - 92 = 146. Suvišak neutrona nad protonima iznosi kod toga glavnog uranijevog izotopa 54. Simetrija je tu već znatno narušena.

Antiproton

Podrobniji članak o temi: Antiproton

Antiproton (oznaka p) se od protona razlikuje po tom što ima suprotan električni naboj i što mu je magnetski moment suprotno orijentiran prema spinu. Postojanje antiprotona ustanovili su eksperimentalno s pomoću ubrzivača čestica bevatron (1955.) Emilio Segrè i Owen Chamberlain, za što su 1959. dobili Nobelovu nagradu za fiziku.