A proton (görög πρῶτον (protos) jelentése ős, első) egy szubatomi részecske, jele p vagy p+. Töltése egységnyi pozitív elemi töltés. Minden atom magjában jelen van egy vagy több proton. Az atomban lévő protonok száma – azaz a rendszám – határozza meg a kémiai elemek minőségét, ez a rendszerezésük alapja. A proton nevet Ernest Rutherford adta a hidrogén atommagnak 1920-ban, mert az azt megelőző években ő fedezte fel, hogy a hidrogén atommag (az ismert legkönnyebb atommag) kinyerhető nitrogén atommagokból ütköztetés útján; és így feltételezhető volt, hogy egy alapvető részecske, amely építőeleme a nitrogénnek, és minden egyéb nehezebb atommagnak is.
A modern részecskefizika standard modelljében a proton egy kvarkokból álló hadron. Azt megelőzően, hogy a modell konszenzusra talált a fizikus közösségben, a protont elemi részecskének tartották. A modern vélekedés szerint a proton három kvarkból áll: két up kvarkból és egy down kvarkból. A kvarkok nyugalmi tömegéről azt gondolják, hogy a proton tömegének mindössze 1%-át adják. A fennmaradó tömeget a kvarkok kinetikus energiája és az azokat összekapcsoló gluon mezők energiája adja.
Mivel a proton nem elemi részecske, ezért fizikai mérettel rendelkezik – habár ez nem tökéletesen definiált, mert a proton felszíne kissé „elmosódott” amiatt, hogy a proton felületét meghatározó erőhatások nem érnek hirtelen véget. A proton körülbelül 1,6-1,7 femtométer átmérőjű.
Története thumb|left|200px|Ernest Rutherford az első Solvay konferencián, 1911-ben.
Hosszú idő alatt fejlődött ki az a koncepció, miszerint egy hidrogén-szerű részecske összetevőjét képezi más atomoknak. William Prout már 1815-ben felvetette, hogy valamennyi atomot hidrogénatomok (melyeket protyle-nek nevezett) építenek fel; mindezt a relatív atomtömegek korai értékeinek egyszerűsített interpretációjára alapozva (lásd Prout-hipotézis). Ezt később megcáfolták az értékek pontosabb megmérésével.
1886-ban Eugen Goldstein felfedezte az anódsugarakat, és kimutatta, hogy azok gázokból előállított pozitív töltésű részecskék (ionok). Mivel azonban a különböző gázokból előállított részecskék különböző töltés/tömeg aránnyal bírtak, nem lehetett azokat egyetlen részecskének tekinteni, ellentétben a J. J. Thomson felfedezte negatív elektronokkal.
Miután Ernest Rutherford felfedezte az atommagot 1911-ben, Antonius van den Broek felvetette, hogy minden elem helye a periódusos rendszerben (azaz rendszáma) megegyezik az atommagjának töltésével. Ezt Henry Moseley bizonyította be kísérleti úton 1913-ban, röntgen spektroszkópia segítségével.
1917-ben (a kísérleteket 1919-ben publikálták) Rutherford bebizonyította, hogy a hidrogén atommag jelen van más elemek atommagjában, ezt az eredményét rendszerint a proton felfedezésének tekintik. Rutherford korábban már felismerte, hogy a hidrogén gázba csapódó alfa-részecskék egyfajta hidrogén atommagokból álló sugárzást idéznek elő, melyeket szcintillációs detektorral és azok egyedi, levegőbeli penetrációs képük alapján azonosított. A kísérletek akkor kezdődtek, amikor Rutherford észrevette, hogy amikor az alfa-részecskéket a levegőbe (melynek kb. 78%-a nitrogén) lőtte, a szcintillációs detektorok tipikus hidrogén atommagok jelenlétét jelezték, mint keletkezett terméket. A kísérlet után Rutherford a reakciót a levegőben lévő nitrogénre vezette vissza, és megállapította, hogy tiszta nitrogéngáz használata esetén nagyobb az elért hatás. Kimutatta, hogy ez a hidrogén csak a nitrogénből jöhet, következésképpen a nitrogénnek tartalmaznia kell a hidrogén atommagot. A hidrogén atommagot az alfa-részecske becsapódása lökte ki, a folyamat eredményeképpen 17O-t állítva elő.
14N + α → 17O + p.
Ez volt az első feljegyzett magreakció, melyet később ködkamrában közvetlenül is megfigyeltek 1925-ben.
Rutherford tudta, hogy a hidrogén a legegyszerűbb és legkönnyebb elem, illetve befolyásolta Prout hipotézise, mely szerint a hidrogén az építőköve az összes többi elemnek. Annak felfedezése, hogy a hidrogén atommag mint elemi részecske van jelen más atommagokban, arra késztette Rutherfordot, hogy különleges elnevezéssel illesse a hidrogén atommagot, mint részecskét; mivel sejtette, hogy a legkönnyebb hidrogén csak egy ilyen részecskét tartalmaz. Az atommag új alapvető építőkövét protonnak nevezte el, a görög πρῶτον (első) szó után. Ugyanakkor Rutherford fejében járhatott a Prout használta protyle kifejezés is. Rutherford beszédet mondott az 1920. augusztus 24-én kezdődő British Association for the Advancement of Science cardiffi konferenciáján.See meeting report és announcement Rutherfordot Oliver Lodge kérdezte a pozitív hidrogén atommag új nevéről, hogy össze ne tévesszék a semleges hidrogénatommal. Ő kezdetben a proton és prouton (Prout nevéből) elnevezéseket javasolta.A. Romer, Amer. J. Phys. 65, 707 (1997) Proton or prouton? Rutherford and the depths of the atom Rutherford később arról számolt be, hogy a találkozó elfogadta javaslatát, hogy a hidrogén atommag elnevezése „proton” legyen, követve Prout „protyle” szavát.Rutherford reported acceptance by the British Association in a footnote to a 1921 paper by O. Masson in the Philosophical Magazine (O. Masson, Phil. Mag. 41, 281, 1921) A proton szó első használatára a tudományos szakirodalomban 1920-ban került sor.Pais, Inward Bound, first edition, Oxford Press, 1986, page 296. Pais reported that he believed the first science literature use of the word proton occurs in the article Nature, 106, 357, 1920.
Leírása A protonok ½-es spinű fermionok; három vegyértékkvarkból állnak, így a barionok (a hadronok alosztálya) közé tartoznak. A protont alkotó két up kvarkot és egy down kvarkot a gluonok által közvetített erős kölcsönhatás tartja össze. A modern látásmód szerint a protont a vegyértékkvarkok (up, up, down); a gluonok; és átmeneti kvark-antikvark párok (kvarktenger) alkotják. A proton közelítően exponenciális lecsengésű pozitív töltéseloszlással rendelkezik, melynek közepes sugara .
Stabilitása
A szabad (nukleonokhoz vagy elektronhoz nem kötődő) protonok stabil részecskék; spontán, egyéb részecskékre történő lebomlásukat nem figyelték meg. A szabad protonok a természetben számos helyen megtalálhatóak, ahol az energia vagy a hőmérséklet elég magas ahhoz, hogy elválassza őket az elektronoktól, melyekhez a proton elektromosan vonzódik. Szabad protonok léteznek a plazmában, amelyekben a hőmérséklet túl magas ahhoz, hogy kombinálódhassanak az elektronokkal. Nagy sebességű és energiájú szabad protonok alkotják a kozmikus sugárzás 90%-át, amely a csillagközi térben terjed. A szabad protonok származhatnak közvetlenül az atommagból néhány ritka típusú radioaktív bomlás eredményeképpen; illetve (elektronok és antineutrínók mellett) az instabil szabad neutron radioaktív bomlásából.
Szabad proton spontán bomlását még sohasem figyelték meg, tehát stabil részecskének tekinthető. Azonban néhány nagy egyesített részecskefizikai elmélet megjósolta, hogy proton bomlására nagyságrendileg 1036 év múlva kerül sor; illetve kísérletileg megállapították a proton átlagos élettartamának alsó korlátját különböző feltételezett bomlásokhoz.
A japán Super-Kamiokande detektorban végzett kísérletek alsó határértéket adtak a proton átlagos élettartamára; antimüonra és semleges pionra való bomlás esetén 6,6 év; pozitronra és semleges pionra való bomlás esetén 8,2 év. Egy további kísérlet a kanadai Sudbury Neutrínó Obszervatóriumban oxigén-16-ból származó proton bomlásából keletkezett maradék atommagból eredő gamma sugarak után kutatott. Ezt a kísérletet úgy tervezték, hogy bármelyen bomlástermékre való bomlást detektáljon; és a proton élettartamának alsó korlátját 2,1 évben állapították meg.
Azonban köztudott, hogy a protonok képesek átalakulni neutronná az elektronbefogás, más néven inverz béta-bomlás során. A szabad proton esetében ez a folyamat nem fordul elő spontán, csak ha biztosított a megfelelő mennyiségű energia:
p+ + e– → n0 + νe
A folyamat reverzibilis, a neutron visszaalakulhat protonná a radioaktivitás egy közönséges fajtája, a béta-bomlás során. Tény, hogy a neutronok ily módon bomlanak, átlagos élettartamuk mindössze 15 perc.
Kvarkok és a proton tömege A kvantum-színdinamika – amely a nukleáris erők modern elmélete – a proton és neutron tömegének legnagyobb részét a speciális relativitással magyarázza. A proton tömege mintegy 80–100-szor nagyobb, mint a felépítő kvarkok nyugalmi tömegeinek összege, míg a gluonok nyugalmi tömege zérus. A protonon belüli régióban lévő kvarkok és gluonok extra energiája, összehasonlítva a kvantum-színdinamika vákuumállapotában (QCD vacuum) lévő kvarkok nyugalmi energiájával, a tömeg 99%-át teszi ki. A proton nyugalmi tömege tehát a részecskét felépítő kvarkok és gluonok mozgó rendszerének invariáns tömegével azonos; és az ilyen rendszerekben még a tömegtelen részecskék energiája is a rendszer nyugalmi tömegének részét képezi.
A protont felépítő kvarkok tömegére két kifejezés is használatos: az érvényes kvark tömeg egy önmagában vett kvark tömegét; míg a konzisztens kvark tömeg az érvényes kvark tömegét, plusz a kvarkot körülvevő gluon részecske mező tömegét jelenti. Ezen tömegek értéke általában nagyon eltérő; a proton tömegének legnagyobb része az azt felépítő kvarkokat összekötő gluonokból származik, nem pedig magukból a kvarkokból. Habár a gluonok eredendően tömeg nélküliek, rendelkeznek energiával – konkrétabban: kvantum-színdinamikai kötési energiával (quantum chromodynamics binding energy – QCBE) – és ez az, amely hozzájárul a proton össztömegéhez (lásd speciális relativitáselmélet). Egy proton tömege körülbelül , amelyből a három vegyértékkvark nyugalmi tömege mindössze , a fennmaradó tömeg nagy része a gluonok energiájának tudható be.
A proton belső dinamikája bonyolult, mert azt a kvarkok gluon cseréje, és a kvarkok különböző vákuum kondenzációkkal való interakciói határozzák meg. A kvantum-színdinamikai szövedék (Lattice QCD) megközelítés elvben közvetlen számítási módot ad a proton tömegének kiszámítására az elmélet alapján, bármely pontossággal. A legutóbbi számítások azonban azt állítják,See this news report and links hogy a proton tömege kisebb, mint 4%-os pontossággal meghatározható, akár 1%-os pontossággal is (lásd Figure S5, Dürr és munkatársai). Ezek az állítások még mindig ellentmondásosak, mert a számításokat még nem lehet olyan könnyű kvarkokkal elvégezni, mint amilyenek azok a valós világban. Ez azt jelenti, hogy az előrejelzés extrapolációs folyamat eredményeképpen állt elő, amely szisztematikus hibákat vezethet be. Nehéz megmondani, hogy ezeket a hibákat megfelelően vették-e figyelembe, mert azok a mennyiségek – amelyeket a kísérleti eredményekhez hasonlítottak – hadronok tömegei, melyek előre ismertek.
Ezeket a legfrissebb számításokat masszív szuperszámítógépekkel végezték, és ahogyan azt Boffi és Pasquini megjegyzi: „a nukleon szerkezet részletes leírása még mindig hiányzik, mert … a hosszú távú viselkedés nonperturbatív és/vagy numerikus kezelést igényel…” A proton szerkezetének további koncepcionális megközelítései: az eredetileg Tony Skyrmetől származó topológiai szoliton megközelítés; a pontosabb AdS/QCD megközelítés, amely kiterjeszti azt a gluonok húrelméletével; különböző QCD ihletésű modellek, mint például a zsák modell és a konzisztens kvark modell, amelyek az 1980-as években voltak népszerűek; és az SVZ összeg szabályok, amelyek durva közelítő tömeg számításokat tesznek lehetővé. Ezek a módszerek nem olyan pontosak, mint a nyersebb kvantum-színdinamikai szövedék módszerek, legalábbis még nem.
A proton spinje és mágneses momentuma pontosan kijön a standard modell szerint, ha csak a vegyértékkvarkokat vesszük figyelembe.
Sugár A proton sugarának nemzetközileg elfogadott értéke 0,8768 femtométer. Ez az érték protonnal és elektronnal elvégzett mérésen alapul.