פרוטון

ערך זה עוסק בחלקיק תת-אטומי. אם התכוונתם למשגר לוויינים מתוצרת ברית המועצות, ראו פרוטון (משגר לוויינים).

פרוטון
פרוטון מורכב משלושה קווארקים ולנטיים (uud). הגלואונים אשר מסומנים בצורת גלים תורמים ליציבות הפרוטון.
הרכב:	האדרון
קבוצת שיוך:	באריון נוקליאון
חלקיק:	פרוטון
תכונות
מסת מנוחה:	‎‎1.672×10-27‎ kg ‎938 MeV/c2
מטען חשמלי:	‎+ e
ספין:	‎1/2 ħ
מטען צבע:	0
אינטראקציות:	כבידה, אלקטרומגנטיות ו- אינטראקציה חזקה
קומפוזיציה קווארקית:	uud
היסטוריה
נצפה?	כן
שנת גילוי:	1918

פְּרוֹטוֹן (מיוונית - פרוטון, ראשון) הוא חלקיק בעל מטען חשמלי חיובי הנמצא בגרעין של כל אטום, יחד עם חלקיק נוסף בגרעין שהוא הנייטרון (שניהם יחד הם הנוקלאונים).

הפרוטון אינו חלקיק יסודי אלא מורכב משלושה קוורקים, שניים מסוג "מעלה" ואחד מסוג "מטה", המוחזקים יחד באמצעות הכוח הגרעיני החזק. הוא חלקיק יציב, שאינו דועך לחלקיקים אחרים. פרוטון בודד הוא היון החיובי של מימן ($\ H^+$).

תכונות

תכונותיו העיקריות של הפרוטון הן:

• מסת מנוחה של 938MeV או 1.00728 ימ"א (בערך פי 1834 מזה של אלקטרון)
• קוטר של בערך 1.5×10⁻¹⁵ מטר
• מטען חשמלי חיובי של 1.602 × 10^-19 קולון
• זמן מחצית חיים של מעל ל-‎2.1×10²⁹‎ שנים על פי ניסויים, החלקיק נחשב יציב
• ספין 1/2

גרעין האטום מורכב בעיקר מפרוטונים ונייטרונים המוחזקים יחד על ידי הכוח הגרעיני החזק (מלבד באיזוטופ הקל ביותר של אטום המימן שגרעינו מורכב מפרוטון יחיד בלבד). מספר הפרוטונים בגרעין קובע את תכונותיו החשמליות של האטום, וכתוצאה, את תכונותיו הכימיות, כלומר קובע את היסוד הכימי אליו הוא שייך.

לדוגמה: אטום שבגרעינו 2 פרוטונים הוא אטום הליום. הוספת פרוטון לגרעין שלו תמיר אותו לאטום ליתיום שהוא כמובן יסוד שונה. למשל, בתנאים תקניים מצב הצבירה של הליום הוא גז ואילו הליתיום הוא מוצק. כמו כן, ליתיום הוא מתכתי, בניגוד להליום.

כאמור, מטענו החשמלי של פרוטון הינו חיובי ושווה בערכו למטען השלילי של אלקטרון, כך שכאשר מספר הפרוטונים בגרעין שווה למספר האלקטרונים המקיפים אותו האטום נייטרלי מבחינה חשמלית. שינוי מספר האלקטרונים הופך את האטום ליון.

היסטוריה

הפרוטון התגלה על ידי ארנסט רתרפורד ב-1918 בניסויים בהם הופצצו אטומי חנקן בחלקיקי אלפא (שהם למעשה גרעיני הליום) והפכו לאטומי חמצן. רתרפורד היה גם זה שטבע את שמו.

יציבות

הפרוטון נחשב ליציב, כלומר הוא אינו דועך לחלקיקים אחרים. זמן מחצית חיים של פרוטון נחשב לגדול מאוד, ונמדד בניסויים להיות מעל ‎2.1×10²⁹‎ שנים.

הסיבה העיקרית שהפרוטון יציב היא שהוא הבאריון הקל ביותר. באריונים מורכבים משלושה קוורקים, וקוורקים חייבים להווצר בזוגות תוך שמירה על מספר באריוני (קווראק לעולם לא נמצא לבד, ראו כרומודינמיקה קוונטית); כלומר אין חלקיק קל יותר אליו יכול הפרוטון להפוך, אלא תוך שבירה של המספר הבאריוני. שבירה כזו קיימת במידה קטנה, והיא נקראת בריוגנזיס או יצירת בריונים. על פי ההבנה המדעית כיום, בראשית היקום לאחר המפץ הגדול, בהכרח חייבת הייתה להיות יצירת בריונים, במנגנון שאינו מובן כיום ואינו מוסבר במודל הסטנדרטי. מסיבות אלו, חקר דעיכת הפרוטון קשור ישירות לחקר הבריוגנזיס והיווצרות החומר ביקום, והוא תחום מחקר בולט בפיזיקת החלקיקים.

בעזרת תוספת אנרגיה, למשל בהתנגשות עם אלקטרון (e), הוא יכול להפוך לנייטרון (n) ועוד נייטרינו ($\nu$), בתגובה הבאה:

$\mathrm{p}^+ + \mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{n} + {\nu}_\text{e} ,$

התגובה ההפוכה מתרחשת מאליה, כאשר נייטרון מתפרק לפרוטון, אלקטרון ונייטרינו, עם זמן מחצית חיים של 15 דקות.

הפרוטון יכול באופן תאורטי לדעוך, על פי תאוריות שטרם זכו לביסוס כמו תאוריה מאוחדת גדולה שבה תהליך דעיכה יכול להיות:

$\ \mathrm p^+ \rightarrow \mathrm e^+ +\pi^0$.

כפי שרואים בתהליך הזה, נשבר המספר הבאריוני: ישנם שלושה קוורקים בפרוטון בצד שמאל - מספר באריוני אחד, לעומת קווארק ואנטי-קווארק בפאיון בצד ימין, שמסתכמים לאפס. בנוסף נשבר גם המספר הלפטוני: אפס בצד שמאל ומינוס אחד מהפוזיטרון בצד ימין. המספר הבאריוני פחות המספר הלפטוני נשמר, שימור שהוא אחד המאפיינים של תאוריה מאוחדת גדולה.

ראו גם

• מיון החלקיקים
• אלקטרון
• נייטרון

קישורים חיצוניים

• דוידסון אונליין - מאגר מדע: חלקיקי החומר - הפרוטון סרטון עם הסברים.