פרוטון

שגיאות פרמטריות בתבנית:מידע חלקיק
פרמטרים [ שנת גילוי, שם החלקיק ] לא מופיעים בהגדרת התבנית

פרוטון
proton

פרוטון מורכב משלושה קווארקים ולנטיים (uud). הגלואונים אשר מסומנים בצורת גלים תורמים ליציבות הפרוטון
פרוטון מורכב משלושה קווארקים ולנטיים (uud). הגלואונים אשר מסומנים בצורת גלים תורמים ליציבות הפרוטון
מידע כללי
הרכב	האדרון
קבוצת שיוך	באריון נוקליאון
תכונות
מסת מנוחה	‎1.672×10-27‎ kg 938.272 MeV/c2
מטען חשמלי	+ e
ספין	1/2 ħ
מטען צבע	0
אינטראקציות	כבידה, אלקטרומגנטיות, הכוח הגרעיני החזק
הרכב קווארקים	uud
אורך חיים	מעל ‎2.1×1029‎ שנים (יציב)
היסטוריה
נצפה?	כן

פְּרוֹטוֹן (מיוונית - פרוטון, ראשון) הוא חלקיק הנמצא בגרעין של כל אטום. הוא בעל יחידה אלמנטרית אחת של מטען חשמלי חיובי (e), ומסתו היא בקירוב יחידה אחת של מסה אטומית. הפרוטון וחלקיק נוסף המרכיב את גרעיני האטומים, הנייטרון, מכונים, בשל כך, נוקלאונים.

הפרוטון אינו חלקיק יסודי אלא מורכב משלושה קווארקים, שניים מסוג "מעלה" ואחד מסוג "מטה", המוחזקים יחד באמצעות הכוח הגרעיני החזק. הוא חלקיק יציב שעד כה לא נצפתה דעיכה ספונטנית שלו לחלקיקים אחרים.

גרעין האיזוטופ השכיח של היסוד מימן הוא פרוטון בודד. לכן גם היון החיובי של מימן ($\ H^{+}$) הוא פרוטון בודד (בכימיה ובביולוגיה נהוג לפיכך להשתמש בשם פרוטון עבור יון המימן $\ H^{+}$) .

תכונות

תכונותיו העיקריות של הפרוטון הן:

• מסת מנוחה של MeV/c² 938 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-‎1.4×10²⁹‎ שנים על-פי ניסויים, החלקיק נחשב יציב
• ספין 1/2

מלבד האיזוטופ הקל ביותר של אטום המימן שגרעינו הוא פרוטון יחיד, גרעיני האטומים של כל היסודות הכימיים מורכבים מפרוטונים ונייטרונים המוחזקים יחד על ידי הכוח הגרעיני. מספר הפרוטונים בגרעין קובע את תכונותיו החשמליות של האטום, וכתוצאה מכך את תכונותיו הכימיות. משום כך מספר הפרוטונים בגרעין האטום הוא הקובע לאיזה יסוד כימי משויך אטום זה.

כאשר מספר הפרוטונים בגרעין אטום שווה למספר האלקטרונים המקיפים אותו, האטום נייטרלי מבחינה חשמלית. גריעה או הוספה של אלקטרונים הופכת את האטום ליון, חיובי או שלילי, בהתאמה.

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, ולא נצפתה עד כה דעיכה ספונטנית של פרוטון חופשי לחלקיקים אחרים. זמן מחצית החיים שלו נחשב לגדול מאוד, והוא מוערך על פי ניסויים ליותר מ-‎1.4×10²⁹‎ שנים.

הסיבה העיקרית ליציבותו היא היותו הבאריון הקל ביותר. ככזה, אין חלקיק קל יותר אליו יכול הפרוטון להפוך, אלא תוך שבירה של המספר הבאריוני (באריונים מורכבים משלושה קווארקים, וקווארקים נוצרים תמיד בזוגות תוך שמירה על מספר באריוני (קווארק לעולם לא נמצא לבד)). שבירה של המספר הבאריוני נקראת באריוגנזה או יצירת באריונים ועל-פי ההבנה המדעית כיום היא התרחשה בראשית היקום, לאחר המפץ הגדול, במנגנון שאינו מובן כיום ואינו מוסבר על פי המודל הסטנדרטי. משום כך, חקר דעיכת הפרוטון קשור ישירות לחקר הבאריוגנזה והיווצרות החומר ביקום, והוא תחום מחקר בולט בפיזיקת החלקיקים.

בעזרת תוספת אנרגיה, למשל בהתנגשות עם אלקטרון (e), הוא יכול להפוך לנייטרון (n) ונייטרינו ($\nu$), 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 ניסויי, דוגמת תאוריה מאוחדת גדולה, לפיה יכול להתרחש תהליך הדעיכה הבא:

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

כפי שרואים בתהליך הזה, נשבר המספר הבאריוני: ישנם שלושה קווארקים בפרוטון בצד שמאל - מספר באריוני אחד, לעומת קווארק ואנטי-קווארק בפאיון בצד ימין, המסתכמים לאפס. בנוסף נשבר גם המספר הלפטוני: אפס בצד שמאל ומינוס אחד מהפוזיטרון בצד ימין. המספר הבאריוני פחות המספר הלפטוני משתמר, המתבטא בחוק שימור שהוא אחד המאפיינים של התאוריה המאוחדת הגדולה.

ראו גם

• מיון החלקיקים
• אלקטרון
• נייטרון

קישורים חיצוניים

• ד"ר ארז גרטי, חלקיקי החומר – הפרוטון, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 4 ביולי 2011
• סיינטיפיק אמריקן ישראל, ‏‫חידת רדיוס הפרוטון / יאן כ' ברנאואר ורנדולף פּוֹהְל‬, באתר "הידען", 19 באוגוסט 2014