proton

Protoner og nøytroner kalles med et fellesnavn for nukleoner. Nukleoner er byggesteinene i atomkjernene.

Antall protoner i en atomkjerne er den definerende egenskapen til de ulike grunnstoffene, og dette antallet kalles for atomnummer. Atomnummeret brukes til å klassifisere grunnstoffer i periodesystemet. Kjernen i hydrogenatomet er ett enkelt proton.

Protoner gir, sammen med elektroner, materie sine fundamentale egenskaper. Antallet protoner i atomene til et stoff gir opphav til helt forskjellige egenskaper for ulike stoffer:

• Hydrogen har ett proton i atomkjernen og er en antennbar gass.
• Karbon har tolv protoner i atomkjernen og gir opphav til verdens hardeste stoff, diamant.
• Thorium har 90 protoner i atomkjernen og er et radioaktivt grunnstoff som brukes i kjernereaktorer.

Protonets masse er 1,00728 atommasseenheter eller 1,67262·10⁻²⁷ kilo (tall på standardform). Dette er 1836 ganger mer enn elektronets masse. Protonet er litt lettere enn nøytronet.

Den elektriske ladningen til protonet er én positiv elementærladning, altså like stor som – og motsatt av elektronets.

Protonet har en intern dreieimpuls som kalles spinn. Spinnet er ulikt null selv når protonet er helt i ro. Ifølge kvantemekanikk kan spinnet kun ta diskrete verdier. For protoner har spinnet verdi \(\frac{1}{2} \hbar\) (\(\hbar\) = Plancks konstant h dividert med 2π). Det gjør at protonet dessuten har et magnetisk moment på 2,793 kjernemagnetoner.

I partikkelfysikk regner man det nå som eksperimentelt påvist at protonet er sammensatt av tre kvarker; to opp-kvarker og én ned-kvark.

Ved eksperimenter utført ved store energier, for eksempel 10–100 ganger protonets hvileenergi, vil man kunne observere protonets indre struktur. I tillegg til de tre kvarkene, som ofte kalles valenskvarker, viser eksperimenter at det også eksisterer virtuelle kvark–antikvark-par i tillegg til gluoner inni protoner.

Man har aldri observert henfall av protoner, og protonene regnes derfor som stabile partikler.

I en hittil hypotetisk teori som forener elektromagnetisk, svak og sterk vekselvirkning, vil protonet i prinsippet være ustabilt. En slik teori kalles for en forent teori. Én måte protonet kan henfalle på i slike teorier er gjennom prosessen

\[p \to e^+ + \pi^0 \]

Her er e⁺ et positron og π⁰ er et nøytralt pi-meson. Et slikt henfall er ikke tillatt i standardmodellen, siden baryontallet ikke er det samme på begge sider av likningen.

Den enkleste teorien av denne typen gir en gjennomsnittlig levetid for protonet på mer enn 10 ³¹ år, altså et tall med 31 nuller. Dette er en så lang levetid at protoner i praksis kan regnes som helt stabile. En slik levetid innebærer en sannsynlighet for henfall av mindre enn ett proton i året i én kubikkmeter vann. Det tyder på at den forente teorien nevnt ovenfor er feil eller ufullstendig.

Siden protoner er stabile partikler, ble de sammen med elektronet tidligere regnet som fundamentale partikler i materie. Målinger av ladningsfordelingen i protonet og av dets magnetiske egenskaper viste at det likevel har en indre struktur og må oppfattes som et sammensatt system.

Protoner har spinn \(\frac{1}{2} \hbar\) og hver av de tre kvarkene i protonet (to opp- og én ned-kvark) har også spinn\(\frac{1}{2} \hbar\). Spinnene kan peke enten opp eller ned. Derfor ble det frem til 1980-tallet antatt at to av kvarkene peker i samme retning, mens den tredje peker i motsatt retning. Totalt spinn blir da

\[ \frac{1}{2} \hbar + \frac{1}{2} \hbar \;– \frac{1}{2} \hbar = \frac{1}{2} \hbar \]

akkurat slik man observerer eksperimentelt for protonet.

Et eksperiment gjort i 1987 av European Muon Collaboration ved CERN viste at dette overraskende nok ikke er tilfellet. Målingene viste at de individuelle kvarkene i protonet kun utgjør en liten andel av protonets totale spinn. Det resterende spinnet kommer i stedet fra måten kvarkene beveger seg på inni protonet, i tillegg til vekselvirkning mellom kvarkene som gir opphav til virtuelle partikler kalt gluoner.

Det forskes i dag på modeller som kan beskrive nøyaktig hvordan spinnet til et proton fordeles på de individuelle kvarkene og deres bevegelse og vekselvirkning.

Antipartikkelen til et proton er et antiproton. Det har like stor masse og spinn som et proton, men har motsatt elektrisk ladning. Når protoner kolliderer med antiprotoner, kan de annihileres, noe som frigjør store mengder energi.

Antiprotoner ble først oppdaget eksperimentelt i 1955 ved Bevatron partikkelakselerator i California. Antiprotoner opptrer naturlig i kosmisk stråling.

Som oppdagere av protonet regnes iblant de tyske fysikerne Eugen Goldstein (1850–1930), som i 1886 påviste kanalstråler av positive hydrogenioner i utladningsrør, eller Wilhelm Wien, som i 1897 bestemte forholdet mellom masse og ladning av disse partiklene.

Som regel tilskrives oppdagelsen av atomet den britiske fysikeren Ernest Rutherford, som i 1919 viste at det i visse kjernereaksjoner ble sendt ut partikler med samme egenskaper som de positive hydrogenionene. Han antok at disse partiklene inngikk som byggesteiner i atomkjernene, og foreslo i 1920 å kalle dem for protoner.

• atom
• nukleon
• nøytron
• antiproton
• kvark
• gluon
• kvantekromodynamikk