Protoner er, sammen med neutroner, byggesten for atomkerner, og dermed en hovedbestanddel af alt stof i universet. Protoner består af kvarker, to op-kvarker og en ned-kvark. Som alle andre sub-atomare partikler der består af tre kvarker, tilhører protonen gruppen af baryoner. Protonen har positiv elektrisk ladning (1 e) og en masse på ca. 938.27 MeV, hvilket svarer til ca. 1,6736 × 10-27 kg. Dens størrelse er omkring 0.8414 femtometer.

Faktaboks

Etymologi

Ordet prôton er græsk (πρῶτον), og betyder først. Protonen blev navngivet af Ernest Rutherford, som en ære til William Prout, der i 1815 foreslog at hydrogen er den basale byggesten for alt, af Prout kaldet protyle.

Protonen er den eneste sub-atomare partikel bestående af kvarker (såkaldte hadroner), der er stabil.

Protoner kan først of fremmest findes i atomkerner, men frie protoner kan findes i naturen hvor de kan skabes i tordenvejr, eller ramme jorden som en del af den kosmiske stråling. Frie protoner anvendes i partikelterapi, en strålingsbehandling mod kræft.

Protonens egenskaber
Symbol p, p+, 11H+
Masse 938,27 MeV
Ladning 1 e
Størrelse 0,8414 femtometer (ladningsradius)
Bestanddele To op-kvarker, én ned-kvark

Ved The Large Hadron Collider stødes protoner sammen nær lysets hastighed, for at studere hvilke nye partikler der kan skabes. Det var sådan Higgs’ partikel blev opdaget i 2012.

Protonens masse og størrelse

Large Hadron Collider
Ved Large Hadron Collider accelereres protoner i rør som dette, op til næsten lysets hastighed, og kollideres med andre protoner. Sådan finder man ud af hvad der er inde i protoner, og opdager nye partikler.
Af /CERN.
Licens: CC BY 4.0

De to op-kvarker og ned-kvarken, der udgør protonens byggesten, har tilsammen en hvilemasse på knap 10 MeV. Dette er kun omkring 1% af protonens samlede masse. Kvarkerne bindes sammen af gluonfelter , men gluonen har selv ingen hvilemasse. Størstedelen af protonens hvilemasse kommer derfor ikke direkte fra byggestenenes hvilkemasse, men skyldes i stedet effekter fra den specielle relativitetsteori. I den specielle relativitetsteori svarer enhver energi til en masse. Kvarkernes og gluonernes bevægelsesenergi inde i protonen ses derfor som en masse, når man kigger udefra. Dette skyldes at kvarker og gluoner er fanget inde i protonen, via. den såkaldte indespærringsmekanisme (eng. confinement mechanism).

Protonens størrelse er heller ikke let at definere. Som med atomkerner, er det ikke sådan, at protonen er en veldefineret kugle, med en bestemt størrelse. Ifølge kvantemekanikkens principper har protonen en mere udflydende grænse, der ikke er fast defineret. Derfor anvender man modeller der kan gengive visse af protonens egenskaber, men uden at være en fuldstændig beskrivelse. Hvis man på denne måde modellerer protonen som en kugle af positiv ladning, kan man lave spredningseksperimenter og dermed bestemme hvor stor radius af denne model-kugle skulle være, for at beskrive data korrekt. Resultatet af disse eksperimenter giver dermed protonens ladningsradius, 0,8414 femtometer.

Opdagelse

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford (1871-1937), der også opdagede atomkernen, krediteres normalt også for protonens opdagelse.

Protonens opdagelse var ikke én enkeltstående begivenhed, men snarere et punktum for et langt kapitel i historien om opdagelsen af atomkernens struktur. Tidligt i 1800-tallet, hvor det stod klart at de forskellige grundstoffer havde forskellig atomar vægt, foreslog William Prout at alle atomer var bygget af brint, det letteste grundstof, der bare har én enkelt proton som atomkerne. Denne hypotese blev siden forkastet, efter mere præcise målinger af grundstoffernes vægt, men Prouts hypotese lever videre i protonens navn, der delvist er navngivet med henvisnig til protyler, navnet Prout gav til disse fundamentale byggesten.

I 1911 opdagede Rutherford atomkernen. Dette fulgtes op af opdagelsen af, at grundstoffernes atomnummer er lig med kernens elektriske ladning. I eksperimenter foretaget i 1917, og senere udgivet i 1919 og 1925, viste Rutherford at alle atomkerner indeholder brintkerner, altså protoner. Denne opdagelse er normalt hvad der refereres til hvis man skal nævne én enkelt opdagelse af protonen.

Protonens livstid

Protonen er den eneste stabile hadron. Selv neutronen, protonens neutrale makker i atomkernen, er ustabil som fri partikel (altså uden for atomkernen), med en henfaldstid på omkring 15 minutter. Man kan finde frie protoner mange steder i naturen, det kræver blot at tilstrækkelig meget energi er til stede for at elektronerne fjernes, og dermed ioniserer protonen. Tiltrækkeligt høj energi kan man for eksempel skabe ved at varme systemet op til høje temperaturer, og dermed skabe et plasma. Frie protoner findes også i kosmisk stråling, der består af omkring 90% protoner.

I mange teorier for fysik der går ud over den såkaldte standardmodel, især GUTs, er protonen ikke stabil. Dette betyder at hvis disse teorier er korrekte, vil man kunne se protoner henfalde spontant. Derfor har mange eksperimenter forsøgt at observere om protonen virkelig er ustabil, blot med en meget lang levetid. I sådanne eksperimenter kan man aldrig bevise at protonen virkelig er stabil, blot måle hvor lang protonens livstid mindst er. I Super-Kamiokande har man således vist at protonens livstid mindst er 6,6 x 1033 år, altså 1023 gange længere end universets levetid.

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig