Protoni

Protoni
Protonin kvarkkirakenne
Luokitus	Baryoni
Rakenne	2 u-kvarkkia ja 1 d-kvarkki
Perhe	Fermioni
Ryhmä	Hadroni
Vuorovaikutus	Gravitaatio, heikko, vahva ja sähkömagneettinen
Antihiukkanen	Antiprotoni p-
Löydetty teoreettisesti	William Prout (1815)
Löydetty	Ernest Rutherford (1919)
Symboli	p, p+
Massa	1,672 621 777 × 10-27 kg ± 0,000 000 074 × 10-27 kg 938,272 046 MeV/c2 ± 0,000 021 MeV/c2
Sähkövaraus	+1 e
Spin	1/2

Protoni (p tai p⁺) on sähkövaraukseltaan positiivinen hiukkanen, varaukseltaan 1 alkeisvaraus. Yhdessä neutronien kanssa protonit muodostavat atomiytimet (lukuuonottamatta vedyn yksinkertaisinta isotooppia, H⁺ eli protiumia, joka koostuu vain yhdestä protonista). Neutronista ja protonista käytetään myös yhteisnimitystä nukleoni. Protoneja voi esiintyä myös vapaana esimerkiksi plasmassa.

Protoni on sähkövaraukseltaan yhtä suuri, mutta vastakkaismerkkinen kuin elektroni, minkä seurauksena positiivisesti varautunut atomiydin pyrkii keräämään ympärilleen elektroniverhon, jossa on täsmälleen yhtä monta elektronia kuin ytimessä on protoneja. Tässä tilassa elektronipilven negatiivinen varaus kumoaa ytimen positiivisen varauksen, ja atomit ovat ulkoisesti neutraaleja.

Hiukkasfysiikan standardimallissa protoni on hadroni, eli yhdistelmähiukkanen, joka koostuu vahvan vuorovaikutuksen yhteenliittämistä kvarkeista. Protoni muodostuu kahdesta u-kvarkista sekä yhdestä d-kvarkista, joiden lepomassa muodostaa noin 1 % protonin kokonaismassasta (loppu muodostuu kvarkkien liike-energiasta). Protonin antihiukkanen on antiprotoni, joka koostuu kahdesta u-antikvarkista ja yhdestä d-antikvarkista.

Protoni kemiassa

Protoni, jolla on spinistä aiheutunut liikemäärämomentti $\mathbf{P}$ sekä magneettinen momentti $\mathbf{u}$.

Vetyioni

Kemiassa protonilla tarkoitetaan yleensä vetyionia (H⁺), joka syntyy, kun vedyn tavallisimman isotoopin atomi menettää ainoan elektroninsa, ja jäljelle jää vain yhdestä protonista koostuva atomiydin. Tällaisia vapaita vetyioneja eli protoneja ei normaaleissa olosuhteissa esiinny liuoksissa, mutta hapon ja emäksen reagoidessa keskenään siirtyy yksi protoni molekyylistä tai kompleksi-ionista toiseen. Hapot ovat protonin luovuttajia, emäkset vastaanottajia. Esimerkiksi vesiliuoksissa hapot luovuttavat protonin vesimolekyylille, joka tällöin muuttuu oksoniumioniksi (H₃O⁺). Hapon ja emäksen neutraloituminen vesiliuoksessa tapahtuu niin, että oksoniumioni luovuttaa protonin hydroksidi-ionille, jolloin molemmat muuttuvat vesimolekyyleiksi seuraavasti:

H₃O⁺ + OH^- ⇒ 2 H₂O.

Alkuaineiden järjestysluvut

Atomin ytimessä olevien protonien määrä antaa myös alkuaineelle järjestyslukunsa. Neutronien määrä puolestaan voi vaihdella samassa alkuaineessa, jolloin puhutaan alkuaineen isotoopeista. Protonien ja neutronien yhteenlaskettua määrää atomin ytimessä puolestaan kutsutaan atomin massaluvuksi, joka siis vaihtelee samankin alkuaineen eri isotoopeilla.isotoopeittain. Kaikilla saman alkuaineen isotoopeilla on kuitenkin sama järjestysluku.

Esimerkiksi hapen järjestysluku on 8, koska sen ytimessä on kahdeksan protonia. Vedyn järjestysluku on 1, koska sen ytimessä on vain yksi protoni. Jos siellä on myös yksi neutroni, on kyseessä isotooppi vety-2 eli deuterium.

On myös arveltu, että jos vahva vuorovaikutus olisi hieman voimakkaampi, voisi esiintyä erittäin epävakaata isotooppia helium-2. Isotoopin ytimessä olisi kaksi toisiinsa sitoutunutta protonia eikä yhtään neutronia. Tämä ei kuitenkaan ole nykyisillä vuorovaikutuksien nykyisillä arvoilla mahdollista.

Antihiukkanen

Pääartikkeli: Antiprotoni

Protonilla on vastaava antihiukkanen, kahdesta u-antikvarkista ja yhdestä d-antikvarkista koostuva antiprotoni. Protonin ja antiprotonin massan tulisi vastata tismalleen nollaa, minkä on todettu pitävän paikkaansa kuuden miljardisosan tarkkuudella. Protonin ja antiprotonin kohdatessa hiukkaset annihiloivat toisensa.

Löytöhistoria

Eri alkuaineiden suhteelliset atomipainot pystyttiin mittaamaan jo 1800-luvun alussa. Tällöin osoittautui, että useimpien alku­aineiden atomi­painot olivat likipitäen vedyn atomipainon monikertoja, toisin sanoen, jos yksikkönä käytetään vedyn atomi­painoa, muidenkin alku­aineiden atomi­painot ovat hyvin lähellä kokonaislukuja.. Tällä perusteella William Prout esitti vuonna 1815 hypoteesin, jonka mukaan vety­atomi, jota hän kutsui myös "protyliksi", olisi kaikkien muiden alku­aineiden atomien rakenne­osana ja että muut atomit siis koostuisivat joukosta lujasti toisiinsa sitoutuneita vety­atomeja. Tämä käsitys tuli tunnetuksi Proutin hypoteesina. Se kuitenkin menetti uskottavuutensa, kun atomi­painot saatiin mitatuiksi entistä tarkemmin ja lisäksi todettiin, että muutamien alku­aineiden, esimerkiksi kloorin, atomi­painot eivät olleet lähelläkään kokonais­lukuja.

Vuonna 1886 Eugen Goldstein löysi kanavasäteet, jotka tunnettiin myös anodi­säteinä, ja osoitti niiden koostuvan positiivisista ioneista. Samoihin aikoihin löydettiin myös katodi­säteet. J. J. Thomson osoitti, että katodi­säteillä niiden varauksen ja massan suhde on aina sama, mikä johti elektronin löytämiseen. Sitä vastoin kanava­säteillä tämä suhde on eri suuri riippuen siitä, mitä kaasua putkessa käytetään, joten ne eivät voineet kaikissa tapauksissa koostua samoista hiukkasista.

Alku­aineiden jaksollisen järjestelmän keksi Mendelejev 1870-luvulla. Alun perin alku­aineet järjestettiin siinä atomi­painon mukaan. Sen jälkeen kun Ernest Rutherford vuonna 1911 löysi atomi­ytimen, Antonius van den Broek esitti, että kunkin alku­aineen paikan jaksollisessa järjestelmässä itse asiassa määräisikin sen ytimen varaus. Henry Moseley vahvisti tämän hypoteesin kokeellisesti vuonna 1913 tutkimalla eri alku­aineiden röntgen­spektrejä.

Vuonna 1917 tekemillään kokeilla, joiden tulokset julkaistiin vuonna 1919, Ruther­ford osoitti, että muiden alkuaineiden atomi­ytimissä todella on vety-ytimien kaltaisia hiukkasia. Tätä koetta pidetään usein protonin löytämisenä. Jo aikaisemmin hän oli saanut muodostetuksi paljaita vety-ytimiä antamalla alfasäteilyn vaikuttaa vety­kaasuun, ja ne voitiin tunnistaa tuike­ilmaisimilla. Rutherford havaitsi, että sellaisia syntyi myös alfa­säteilyn vaikuttaessa ilmaan ja vielä enemmän, jos sen annetaan kulkea puhtaan typpikaasun läpi. Koska typpi­ytimestä saattoi irrota vety-ytimen kaltainen hiukkanen, täytyi tämän olla typpi­ytimen rakenne­osana. Lisäksi voitiin todeta, että kokeessa syntyi happea. Rutherford oli siis saanut aikaan ensimmäisen keino­tekoisen ydinreaktion, jota voidaan kuvata seuraavasti:

• 14N + α → 17O + p

tai

• ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₁₆8O + ¹₁H

Rutherford tiesi, että vety oli alku­aineista kevein, ja hän oli myös tietoinen Proutin yli sata vuotta aikaisemmin esittämästä hypoteesista. Havainto, että vety-ytimen kaltaisia hiukkasia oli kaikkien muidenkin alkuaineiden atomiytimistä, johti hänet päätelmään, että tämä ydin oli alkeishiukkanen, jolle oli annettava nimi. Hän antoi tälle nimen protoni (engl. proton), joka johtui kreikan kielen ensimmäistä tarkoittavasta sanasta πρῶτον (proton). Hänellä oli tällöin mielessään myös Proutin käyttämä termi protyli. British Association for the Advancement of Sciencen kokouksessa Cardiffissä 24. elokuuta 1920 Oliver Lodge pyysi Rutherfordia keksimään vety-ytimelle jonkin uuden nimen erotukseksi neutraalista vety­atomista. Rutherford ehdotti nimiä proton tai vaihto­ehtoisesti William Proutin mukaan proutoni. Myöhemmin hän kertoi, että kokous hyväksyi hänen sille antamansa nimen protoni. Ensimmäisen kerran sana esiintyi tieteellisessä kirjallisuudessa jo samana vuonna.

Katso myös

• Antiprotoni
• Elektroni
• Neutroni
• Protonin hajoaminen
• Vety

Aiheesta muualla

• Particle Data Group - The Review of Particle Physics (englanniksi)

Hiukkasfysiikka