Proton

Proton ⓘ

Bir protonun kuark içeriği. Her bir kuarkın renk ataması keyfidir, ancak her üç renk de mevcut olmalıdır. Kuarklar arasındaki kuvvetlere gluonlar aracılık eder.
Sınıflandırma	Baryon
Kompozisyon	2 yukarı kuark (u), 1 aşağı kuark (d)
İstatistikler	Fermiyonik
Aile	Hadron
Etkileşimler	Yerçekimi, elektromanyetik, zayıf, güçlü
Sembol	p , p+ , N+ , 1 1H+
Antiparçacık	Antiproton
Teorileştirilmiş	William Prout (1815)
Keşfedildi	Eugen Goldstein (1886) tarafından H+ olarak gözlemlenmiştir. Ernest Rutherford (1917-1920) tarafından diğer çekirdeklerde tanımlandı (ve adlandırıldı).
Kütle	1.67262192369(51)×10-27 kg 938.27208816(29) MeV/c2 1.007276466621(53) Da
Ortalama yaşam süresi	> 3,6×1029 yıl (stabil)
Elektrik yükü	+1 e 1.602176634×10-19 C
Yük yarıçapı	0,8414(19) fm
Elektrik dipol momenti	< 2,1×10-25 e⋅cm
Elektrik polarizasyonu	0,00112(4) fm3
Manyetik moment	1.41060679736(60)×10-26 J⋅T-1 1.52103220230(46)×10-3 μB 2,79284734463(82) μN
Manyetik polarize edilebilirlik	1.9(5)×10-4 fm3
Spin	1/2
İzospin	1/2
Parite	+1
Yoğunlaştırılmış	I(JP) = 1/2(1/2+)

Proton kararlı bir atom altı parçacıktır, sembolü
p
, H⁺ veya ⁺¹e temel yükünün pozitif elektrik yüküne sahip 1H+. Kütlesi bir nötronunkinden biraz daha azdır ve proton-elektron kütle oranı onu bir elektronun kütlesinin 1836 katı yapar. Her biri yaklaşık bir atomik kütle birimi kütleye sahip olan protonlar ve nötronlar birlikte "nükleon" (atom çekirdeğinde bulunan parçacıklar) olarak adlandırılır. ⓘ

Her atomun çekirdeğinde bir ya da daha fazla proton bulunur. Atomik elektronları birbirine bağlayan çekici elektrostatik merkezi kuvveti sağlarlar. Çekirdekteki proton sayısı bir elementin tanımlayıcı özelliğidir ve atom numarası olarak adlandırılır (Z sembolü ile gösterilir). Her elementin kendine özgü bir proton sayısı olduğundan, her elementin kendine özgü bir atom numarası vardır ve bu da atomik elektronların sayısını ve dolayısıyla elementin kimyasal özelliklerini belirler. ⓘ

Proton kelimesi Yunanca "ilk" anlamına gelmektedir ve bu isim hidrojen çekirdeğine 1920 yılında Ernest Rutherford tarafından verilmiştir. Önceki yıllarda Rutherford, hidrojen çekirdeğinin (en hafif çekirdek olarak bilinir) atomik çarpışmalarla nitrojen çekirdeklerinden çıkarılabileceğini keşfetmişti. Bu nedenle protonlar temel ya da temel parçacık olmaya adaydı ve dolayısıyla nitrojen ve diğer tüm ağır atom çekirdeklerinin yapı taşıydı. ⓘ

Protonlar başlangıçta temel parçacıklar olarak kabul edilse de, parçacık fiziğinin modern Standart Modelinde protonların artık üç değerlik kuark içeren bileşik parçacıklar olduğu bilinmektedir ve nötronlarla birlikte artık hadronlar olarak sınıflandırılmaktadır. Protonlar +2/3e yüklü iki yukarı kuark ve -1/3e yüklü bir aşağı kuarktan oluşur. Kuarkların kalan kütleleri bir protonun kütlesinin yalnızca %1'ine katkıda bulunur. Bir protonun kütlesinin geri kalanı kuarkların kinetik enerjisini ve kuarkları birbirine bağlayan gluon alanlarının enerjisini içeren kuantum kromodinamiği bağlanma enerjisinden kaynaklanır. Protonlar temel parçacıklar olmadıkları için ölçülebilir bir boyuta sahiptirler; bir protonun kök ortalama kare yük yarıçapı yaklaşık 0,84-0,87 fm'dir (veya 0,84×10-15 ila 0,87×10-15 m). 2019 yılında, farklı teknikler kullanan iki farklı çalışma, protonun yarıçapını ±0,010 fm belirsizlikle 0,833 fm olarak bulmuştur. ⓘ

Serbest protonlar Dünya'da zaman zaman ortaya çıkar: fırtınalar birkaç on MeV'e kadar enerjiye sahip protonlar üretebilir. Yeterince düşük sıcaklıklarda ve kinetik enerjilerde, serbest protonlar elektronlara bağlanacaktır. Ancak, bu tür bağlı protonların karakteri değişmez ve proton olarak kalırlar. Madde içinde hareket eden hızlı bir proton, bir atomun elektron bulutu tarafından yakalanana kadar elektronlar ve çekirdeklerle etkileşime girerek yavaşlayacaktır. Sonuç, hidrojenin kimyasal bir bileşiği olan protonlanmış bir atomdur. Vakumda, serbest elektronlar mevcut olduğunda, yeterince yavaş bir proton tek bir serbest elektron alabilir ve kimyasal olarak serbest bir radikal olan nötr bir hidrojen atomu haline gelebilir. Bu tür "serbest hidrojen atomları" yeterince düşük enerjilerde diğer birçok atom türüyle kimyasal reaksiyona girme eğilimindedir. Serbest hidrojen atomları birbirleriyle tepkimeye girdiklerinde, yıldızlararası uzaydaki moleküler bulutların en yaygın moleküler bileşeni olan nötr hidrojen moleküllerini (H₂) oluştururlar. ⓘ

Serbest protonlar, en güçlü örneği Büyük Hadron Çarpıştırıcısı olmak üzere, proton tedavisi veya çeşitli parçacık fiziği deneyleri için hızlandırıcılarda rutin olarak kullanılır. ⓘ

Nötr bir atom veya molekülden bir veya daha çok elektron koparıldığında geriye kalan tanecik, koparılan elektronların toplam eski yüküne eşit miktarda artı yük kazanır. Bir neon atomundan bir elektron koparıldığında geriye kalan tanecik koparılan elektronların toplam eksi yüküne eşit miktarda artı yük kazanır. Bir neon atomundan bir elektron koparıldığında bir Ne⁺ iyonu oluşur. Bir elektriksel deşarj tüpünde katot ışınları tüpün içinde bulunan Gaz atomlarından ve moleküllerinden elektronların çıkmasına sebep oldukları zaman, bu tür artı yüklü tanecikler oluşur. Bu artı yüklü iyonlar eksi yüklü elektroda doğru hareket ederler. Eğer katot delikli bir levhadan yapılmışsa artı yüklü iyonlar bu deliklerden geçerler. Katot ışınlarının elektronları ise ters yönde hareket ederler. ⓘ

Pozitif ışınlar adı verilen bu artı yüklü iyon demetleri ilk defa 1886'da Eugen Goldstein tarafından bulundu. Pozitif ışınların elektrik ve magnetik alanların etkisinde sapmaları ise 1898'de Wilhelm Wien ve 1906'da J. J. Thomson tarafından incelendi. Artı yüklü iyonlar için e/m değerlerinin saptanmasına, katot ışınlarının incelenmesinde kullanılan yöntemin hemen hemen aynısı kullanıldı. Deşarj tüpünde değişik gazlar kullanıldığı zaman değişik türde artı yüklü iyonlar oluşur. ⓘ

Açıklama

Fizikte çözülmemiş bir problem:

Kuarklar ve gluonlar protonların spinini nasıl taşır?

(fizikte daha fazla çözülmemiş problem)

Protonlar spin-1/2 fermiyonlardır ve üç valans kuarktan oluşurlar, bu da onları baryonlar (hadronların bir alt türü) yapar. Bir protonun iki yukarı kuarkı ve bir aşağı kuarkı, gluonların aracılık ettiği güçlü kuvvet tarafından bir arada tutulur. Modern bir bakış açısına göre proton, değerlik kuarkları (yukarı, yukarı, aşağı), gluonlar ve geçici deniz kuark çiftlerinden oluşur. Protonlar, yaklaşık 0,8 fm'lik bir ortalama kare yarıçapı ile yaklaşık olarak üstel olarak bozunan pozitif bir yük dağılımına sahiptir. ⓘ

Protonlar ve nötronların her ikisi de atom çekirdeği oluşturmak üzere nükleer kuvvet tarafından birbirine bağlanabilen nükleonlardır. Hidrojen atomunun en yaygın izotopunun ("H" kimyasal sembolü ile) çekirdeği yalnız bir protondan oluşur. Ağır hidrojen izotopları döteryum ve trityumun çekirdekleri sırasıyla bir ve iki nötrona bağlı bir proton içerir. Diğer tüm atom çekirdeği türleri iki veya daha fazla proton ve çeşitli sayıda nötrondan oluşur. ⓘ

Tarihçe

Diğer atomların bir bileşeni olarak hidrojen benzeri bir parçacık kavramı uzun bir dönem boyunca geliştirilmiştir. William Prout, 1815 gibi erken bir tarihte, atom ağırlıklarının ilk değerlerinin basit bir yorumuna dayanarak (bkz. Prout'un hipotezi) tüm atomların hidrojen atomlarından ("protiller" olarak adlandırdığı) oluştuğunu öne sürmüş, ancak daha doğru değerler ölçüldüğünde bu görüş çürütülmüştür. ⓘ

Ernest Rutherford ilk Solvay Konferansı'nda, 1911 ⓘ

İzopropanol bulut odasında tespit edilen proton ⓘ

1886 yılında Eugen Goldstein kanal ışınlarını (anot ışınları olarak da bilinir) keşfetti ve bunların gazlardan üretilen pozitif yüklü parçacıklar (iyonlar) olduğunu gösterdi. Ancak, farklı gazlardan gelen parçacıklar farklı yük-kütle oranı (e/m) değerlerine sahip olduğundan, J. J. Thomson tarafından keşfedilen negatif elektronların aksine, tek bir parçacıkla tanımlanamadılar. Wilhelm Wien 1898'de hidrojen iyonunu iyonize gazlarda en yüksek yük-kütle oranına sahip parçacık olarak tanımladı. ⓘ

1911'de Ernest Rutherford tarafından atom çekirdeğinin keşfinin ardından Antonius van den Broek, her elementin periyodik tablodaki yerinin (atom numarası) nükleer yüküne eşit olduğunu öne sürdü. Bu, 1913 yılında Henry Moseley tarafından X-ışını spektrumları kullanılarak deneysel olarak doğrulandı. ⓘ

1917'de (1919 ve 1925'te rapor edilen deneylerde) Rutherford, hidrojen çekirdeğinin diğer çekirdeklerde de bulunduğunu kanıtladı; bu sonuç genellikle protonların keşfi olarak tanımlanır. Bu deneyler, Rutherford'un havaya (çoğunlukla nitrojen) alfa parçacıkları atıldığında, sintilasyon dedektörlerinin ürün olarak tipik hidrojen çekirdeklerinin izlerini gösterdiğini fark etmesinden sonra başladı. Deneylerden sonra Rutherford reaksiyonu havadaki nitrojene bağladı ve alfa parçacıkları saf nitrojen gazına verildiğinde etkinin daha büyük olduğunu buldu. 1919'da Rutherford, alfa parçacığının nitrojenden bir proton kopararak onu karbona dönüştürdüğünü varsaydı. Rutherford, 1925'te Blackett'in bulut odası görüntülerini gözlemledikten sonra alfa parçacığının emildiğini fark etti. Alfa parçacığının yakalanmasından sonra bir hidrojen çekirdeği fırlatılır, böylece karbon değil ağır oksijen ortaya çıkar, yani Z azalmaz, artar (aşağıda önerilen ilk reaksiyona bakınız). Bu, rapor edilen ilk nükleer reaksiyondu: ¹⁴N + α → ¹⁷O + p. Rutherford ilk başta bu denklemdeki modern "p "yi bir hidrojen iyonu, H+ olarak düşündü. ⓘ

Kişinin bakış açısına bağlı olarak, ya 1919 (deneysel olarak hidrojenden başka bir kaynaktan türediği görüldüğünde) ya da 1920 (temel bir parçacık olarak kabul edilip önerildiğinde) protonun 'keşfedildiği' an olarak kabul edilebilir. ⓘ

Rutherford hidrojenin en basit ve en hafif element olduğunu biliyordu ve Prout'un hidrojenin tüm elementlerin yapı taşı olduğu hipotezinden etkilenmişti. Hidrojen çekirdeğinin diğer çekirdeklerde temel bir parçacık olarak bulunduğunu keşfeden Rutherford, en hafif element olan hidrojenin bu parçacıklardan yalnızca birini içerdiğinden şüphelendiği için hidrojen çekirdeği H+'ya parçacık olarak özel bir isim verdi. Çekirdeğin bu yeni temel yapı taşına, Yunanca "ilk" anlamına gelen πρῶτον kelimesinin nötr tekilinden esinlenerek proton adını verdi. Ancak Rutherford'un aklında Prout tarafından kullanılan protyle kelimesi de vardı. Rutherford, İngiliz Bilimi İlerletme Derneği'nin 24 Ağustos 1920'de başlayan Cardiff toplantısında bir konuşma yaptı. Rutherford ilk olarak (yanlış olarak, yukarıya bakınız) bu nitrojen reaksiyonunun ¹⁴N + α → ¹⁴C + α + H+ olduğunu öne sürdü. Toplantıda Oliver Lodge, nötr hidrojen atomuyla karıştırılmaması için pozitif hidrojen çekirdeğine yeni bir isim vermesini istedi. Başlangıçta hem proton hem de prouton (Prout'tan sonra) önerdi. Rutherford daha sonra toplantıda hidrojen çekirdeğinin Prout'un "protyle" kelimesini takiben "proton" olarak adlandırılması önerisinin kabul edildiğini bildirdi. Bilimsel literatürde "proton" kelimesinin ilk kullanımı 1920 yılında ortaya çıkmıştır. ⓘ

Kararlılık

Fizikte çözülmemiş bir problem:

Protonlar temelde kararlı mıdır? Yoksa standart modelin bazı uzantılarının öngördüğü gibi sonlu bir yaşam süresiyle mi bozunurlar?

(fizikte daha fazla çözülmemiş problem)

Serbest proton (nükleonlara veya elektronlara bağlı olmayan proton), kendiliğinden diğer parçacıklara ayrıştığı gözlemlenmemiş kararlı bir parçacıktır. Serbest protonlar, enerjilerin ya da sıcaklıkların onları elektronlardan ayıracak kadar yüksek olduğu ve elektronlara bir miktar yakınlık duydukları bir dizi durumda doğal olarak bulunur. Serbest protonlar, sıcaklıkların elektronlarla birleşmelerine izin vermeyecek kadar yüksek olduğu plazmalarda bulunur. Yüksek enerji ve hıza sahip serbest protonlar, yıldızlararası mesafeler boyunca boşlukta yayılan kozmik ışınların %90'ını oluşturur. Serbest protonlar bazı nadir radyoaktif bozunma türlerinde doğrudan atom çekirdeklerinden yayılır. Protonlar ayrıca (elektronlar ve antinötrinolarla birlikte) kararsız olan serbest nötronların radyoaktif bozunmasından da kaynaklanır. ⓘ

Serbest protonların kendiliğinden bozunması hiçbir zaman gözlemlenmemiştir ve bu nedenle protonlar Standart Model'e göre kararlı parçacıklar olarak kabul edilir. Bununla birlikte, parçacık fiziğinin bazı büyük birleşik teorileri (GUT'ler) proton bozunumunun 10³¹ ila 10³⁶ yıl arasında bir ömürle gerçekleşmesi gerektiğini öngörmektedir ve deneysel araştırmalar, varsayılan çeşitli bozunum ürünleri için bir protonun ortalama ömrü üzerinde daha düşük sınırlar oluşturmuştur. ⓘ

Japonya'daki Super-Kamiokande dedektöründe yapılan deneyler, bir antimuon ve nötr bir piona bozunma için 6,6×10³³ yıl ve bir pozitron ve nötr bir piona bozunma için 8,2×10³³ yıl proton ortalama ömrü için alt sınırlar vermiştir. Kanada'daki Sudbury Nötrino Gözlemevi'nde yapılan bir başka deneyde, oksijen-16'dan bir protonun bozunması sonucu ortaya çıkan artık çekirdeklerden kaynaklanan gama ışınları aranmıştır. Bu deney, herhangi bir ürüne bozunmayı tespit etmek için tasarlanmış ve 2,1×10²⁹ yıllık bir proton ömrünün alt sınırını oluşturmuştur. ⓘ

Bununla birlikte, protonların elektron yakalama süreci (ters beta bozunumu olarak da adlandırılır) yoluyla nötronlara dönüştüğü bilinmektedir. Serbest protonlar için bu süreç kendiliğinden değil, ancak enerji sağlandığında gerçekleşir. Denklem şöyledir:

p⁺
+
e-
→
n
+
ν
e ⓘ

Süreç tersine çevrilebilir; nötronlar, radyoaktif bozunmanın yaygın bir şekli olan beta bozunması yoluyla tekrar protonlara dönüşebilir. Aslında, serbest bir nötron bu şekilde bozunur ve ortalama ömrü yaklaşık 15 dakikadır. Bir proton da beta artı bozunumu (β+ bozunumu) yoluyla nötronlara dönüşebilir. ⓘ

Kuarklar ve bir protonun kütlesi

Nükleer kuvvetin modern teorisi olan kuantum kromodinamiğinde, proton ve nötronların kütlesinin çoğu özel görelilik ile açıklanmaktadır. Bir protonun kütlesi, üç değerlik kuarkının kalan kütlelerinin toplamından yaklaşık 80-100 kat daha büyüktür, gluonlar ise sıfır kalan kütleye sahiptir. QCD vakumunda sadece kuarkların kalan enerjisiyle karşılaştırıldığında, bir protonda kuarkların ve gluonların ekstra enerjisi, protonun kütlesinin neredeyse %99'unu oluşturur. Dolayısıyla bir protonun durgun kütlesi, parçacığı oluşturan hareketli kuarklar ve gluonlardan oluşan sistemin değişmez kütlesidir ve bu tür sistemlerde kütlesiz parçacıkların enerjisi bile sistemin durgun kütlesinin bir parçası olarak ölçülür. ⓘ

Protonları oluşturan kuarkların kütlesine atıfta bulunurken iki terim kullanılır: mevcut kuark kütlesi bir kuarkın tek başına kütlesini ifade ederken, kurucu kuark kütlesi mevcut kuark kütlesi artı kuarkı çevreleyen gluon parçacık alanının kütlesini ifade eder. Bu kütleler tipik olarak çok farklı değerlere sahiptir. Hapsetmenin bir sonucu olan kuarkların kinetik enerjisi de bir katkıdır (bkz. Özel görelilikte kütle). Kafes QCD hesaplamalarını kullanarak, protonun kütlesine katkılar kuark yoğunlaşması (∼%9, yukarı ve aşağı kuarklardan ve sanal garip kuark denizinden oluşur), kuark kinetik enerjisi (∼%32), gluon kinetik enerjisi (∼%37) ve anormal gluonik katkıdır (∼%23, tüm kuark tatlarının yoğunlaşmalarından gelen katkılardan oluşur). ⓘ

Proton için kurucu kuark modeli dalga fonksiyonu şöyledir

$|p_{\uparrow }\rangle ={\frac {1}{\sqrt {18}}}[2|u_{\uparrow }d_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle +2|u_{\uparrow }u_{\uparrow }d_{\downarrow }\rangle +2|d_{\downarrow }u_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }u_{\downarrow }d_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }d_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }d_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }u_{\uparrow }d_{\uparrow }\rangle ].$ ⓘ

Protonların iç dinamikleri karmaşıktır, çünkü kuarkların gluon alışverişi ve çeşitli vakum yoğunlaşmalarıyla etkileşime girmesiyle belirlenirler. Kafes QCD, prensipte bir protonun kütlesini doğrudan teoriden herhangi bir doğrulukta hesaplamanın bir yolunu sağlar. En son hesaplamalar kütlenin %4'ten daha iyi bir doğrulukla, hatta %1 doğrulukla belirlendiğini iddia etmektedir (bkz. Dürr ve ark. Şekil S5). Bu iddialar hala tartışmalıdır, çünkü hesaplamalar henüz gerçek dünyada oldukları kadar hafif kuarklarla yapılamamaktadır. Bu da tahminlerin sistematik hatalara yol açabilecek bir ekstrapolasyon süreciyle bulunduğu anlamına geliyor. Bu hataların düzgün bir şekilde kontrol edilip edilmediğini söylemek zordur, çünkü deneyle karşılaştırılan büyüklükler önceden bilinen hadronların kütleleridir. ⓘ

Boffi ve Pasquini'nin de belirttiği gibi, bu son hesaplamalar devasa süper bilgisayarlar tarafından gerçekleştirilmektedir: "Nükleon yapısının ayrıntılı bir tanımı hala eksiktir çünkü ... uzun mesafeli davranış, pertürbatif olmayan ve/veya sayısal bir işlem gerektirir ..." Protonların yapısına yönelik daha kavramsal yaklaşımlar şunlardır: Tony Skyrme'ye ait topolojik soliton yaklaşımı ve bunu gluonların sicim teorisini içerecek şekilde genişleten daha doğru AdS/QCD yaklaşımı, 1980'lerde popüler olan torba modeli ve kurucu kuark modeli gibi QCD'den esinlenen çeşitli modeller ve kabaca yaklaşık kütle hesaplamalarına izin veren SVZ toplam kuralları. Bu yöntemler, en azından henüz, daha kaba kuvvet kafes QCD yöntemleri ile aynı doğruluğa sahip değildir. ⓘ

Yük yarıçapı

Bir atom çekirdeği (proton) için yarıçap tanımlama sorunu, ne atomların ne de çekirdeklerinin kesin sınırlara sahip olmaması nedeniyle atom yarıçapı sorununa benzer. Bununla birlikte, elektron saçılma deneylerinin yorumlanması için çekirdek pozitif yüklü bir küre olarak modellenebilir: çekirdeğin kesin bir sınırı olmadığından, elektronlar ortalaması alınabilecek bir dizi kesit "görür". "Rms" ("kök ortalama kare" için) nitelemesi, elektron saçılması için belirleyici olanın yarıçapın karesiyle orantılı olan nükleer çapraz kesit olması nedeniyle ortaya çıkar. ⓘ

Bir protonun yük yarıçapının uluslararası kabul görmüş değeri 0,8768 fm'dir (diğer boyutlarla karşılaştırma için büyüklük sırasına bakınız). Bu değer, bir proton ve bir elektron içeren ölçümlere (yani, elektron saçılma ölçümleri ve momentum transfer çapraz kesiti için Rosenbluth denklemine dayanan saçılma çapraz kesitini içeren karmaşık hesaplama) ve hidrojen ve döteryumun atomik enerji seviyeleri çalışmalarına dayanmaktadır. ⓘ

Ancak 2010 yılında uluslararası bir araştırma ekibi müonik hidrojende (bir proton ve negatif yüklü bir müondan oluşan egzotik bir atom) Lamb kayması yoluyla bir proton yük yarıçapı ölçümü yayınladı. Bir müon bir elektrondan 200 kat daha ağır olduğundan, de Broglie dalga boyu da buna bağlı olarak daha kısadır. Bu daha küçük atomik yörünge, protonun yük yarıçapına karşı çok daha hassastır, dolayısıyla daha hassas ölçümlere olanak sağlar. Protonun kök-ortalama-kare yük yarıçapına ilişkin ölçümleri "0.84184(67) fm olup, CODATA değeri olan 0.8768(69) fm'den 5.0 standart sapma kadar farklıdır". Ocak 2013'te, bir protonun yük yarıçapı için güncellenmiş bir değer -0.84087(39) fm- yayınlanmıştır. Hassasiyet 1,7 kat iyileştirilerek tutarsızlığın önemi 7σ'ya çıkarıldı. 2014 CODATA düzeltmesi, proton yarıçapı için önerilen değeri (yalnızca elektron ölçümleri kullanılarak hesaplanan) hafifçe 0,8751(61) fm'ye düşürdü, ancak bu tutarsızlığı 5,6σ'da bıraktı. ⓘ

Ölçümlerde veya hesaplamalarda herhangi bir hata bulunmasaydı, dünyanın en hassas ve en iyi test edilmiş temel teorisi olan kuantum elektrodinamiğini yeniden incelemek gerekecekti. Proton yarıçapı 2017'den beri bir bilmeceydi. ⓘ

Hidrojende elektronun Lamb kaymasını ve elektron-proton saçılmasını içeren farklı teknikler kullanan iki farklı çalışma, protonun yarıçapını ±0,010 fm ve 0,831 fm belirsizlikle 0,833 fm olarak bulduğunda, 2019'da bir çözüm geldi. ⓘ

Protonun yarıçapı, form faktörü ve momentum transfer tesir kesiti ile bağlantılıdır. Atomik form faktörü G, nokta benzeri protona karşılık gelen çapraz kesiti değiştirir. ⓘ

${\begin{aligned}R_{\text{e}}^{2}&=-6{{\frac {dG_{\text{e}}}{dq^{2}}}\,{\Bigg \vert }\,}_{q^{2}=0}\\{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\ &={{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\,{\Bigg \vert }\,}_{\text{point}}G^{2}(q^{2})\end{aligned}}$ ⓘ

Atomik form faktörü hedefin dalga fonksiyonu yoğunluğu ile ilişkilidir:

$G(q^{2})=\int e^{iqr}\psi (r)^{2}\,dr^{3}$ ⓘ

Form faktörü elektrik ve manyetik form faktörlerine ayrılabilir. Bunlar Dirac ve Pauli form faktörlerinin doğrusal kombinasyonları olarak da yazılabilir.

${\begin{aligned}G_{\text{m}}&=F_{\text{D}}+F_{\text{P}}\\G_{\text{e}}&=F_{\text{D}}-\tau F_{\text{P}}\\{\frac {d\sigma }{d\Omega }}&={{\frac {d\sigma }{d\Omega }}\,{\Bigg \vert }\,}_{NS}{\frac {1}{1+\tau }}\left(G_{\text{e}}^{2}\left(q^{2}\right)+{\frac {\tau }{\epsilon }}G_{\text{m}}^{2}\left(q^{2}\right)\right)\end{aligned}}$ ⓘ

Proton içindeki basınç

Proton gluonlar tarafından hapsedilmiş kuarklardan oluştuğu için, kuarklara etki eden eşdeğer bir basınç tanımlanabilir. Bu, yüksek enerjili elektronların Compton saçılması (DVCS, derin sanal Compton saçılması) kullanılarak merkezden uzaklığın bir fonksiyonu olarak dağılımlarının hesaplanmasını sağlar. Basınç merkezde maksimumdur, yaklaşık 10³⁵ Pa, bu da bir nötron yıldızının içindeki basınçtan daha fazladır. Yaklaşık 0,6 fm radyal mesafeye kadar pozitif (itici), daha uzak mesafelerde negatif (çekici) ve yaklaşık 2 fm'nin ötesinde çok zayıftır. ⓘ

Çözünmüş protonda yük yarıçapı, hidronyum

Hidratlı protonun yarıçapı, hidronyumun hidratasyon entalpisini hesaplamak için Born denkleminde görünür. ⓘ

Serbest protonların sıradan madde ile etkileşimi

Protonlar zıt yüklü elektronlara yakınlık duysa da, bu nispeten düşük enerjili bir etkileşimdir ve bu nedenle serbest protonların elektronlarla yakın ilişki kurup bağlanabilmeleri için yeterli hız (ve kinetik enerji) kaybetmeleri gerekir. Yüksek enerjili protonlar sıradan maddeyi kat ederken, normal bir atomdaki elektron bulutu tarafından yakalanmak için yeterince yavaşlayana kadar atom çekirdekleriyle çarpışarak ve atomları iyonlaştırarak (elektronları uzaklaştırarak) enerji kaybederler. ⓘ

Bununla birlikte, bir elektronla böyle bir birliktelikte, bağlı protonun karakteri değişmez ve proton olarak kalır. Düşük enerjili serbest protonların normal maddede bulunan herhangi bir elektronu (normal atomlardaki elektronlar gibi) çekmesi, serbest protonların durmasına ve bir atomla yeni bir kimyasal bağ oluşturmasına neden olur. Böyle bir bağ, yeterince "soğuk" herhangi bir sıcaklıkta (yani Güneş yüzeyindeki sıcaklıklarla karşılaştırılabilir) ve her tür atomla gerçekleşir. Dolayısıyla, herhangi bir normal (plazma olmayan) madde türüyle etkileşim halinde, düşük hızlı serbest protonlar serbest kalmaz, temas ettikleri herhangi bir atom veya moleküldeki elektronlara çekilerek proton ve molekülün birleşmesine neden olur. Bu tür moleküllerin daha sonra "protonlanmış" olduğu söylenir ve kimyasal olarak genellikle pozitif yüklü hidrojen bileşikleridir. Genellikle, sonuç olarak, Brønsted asitleri olarak adlandırılırlar. Örneğin, suda bir su molekülü tarafından yakalanan bir proton, sulu katyon H₃O⁺ olan hidronyum haline gelir. ⓘ

Kimyada proton

Atom numarası

Kimyada, bir atomun çekirdeğindeki proton sayısı atom numarası olarak bilinir ve atomun ait olduğu kimyasal elementi belirler. Örneğin, klorun atom numarası 17'dir; bu, her bir klor atomunun 17 protona sahip olduğu ve 17 protonlu tüm atomların klor atomları olduğu anlamına gelir. Her atomun kimyasal özellikleri (negatif yüklü) elektron sayısına göre belirlenir; nötr atomlar için bu sayı (pozitif) proton sayısına eşittir, böylece toplam yük sıfır olur. Örneğin, nötr bir klor atomu 17 proton ve 17 elektrona sahipken, bir Cl- anyonu 17 proton ve 18 elektrona sahiptir ve toplam yük -1'dir. ⓘ

Bununla birlikte, belirli bir elementin tüm atomlarının aynı olması gerekmez. Nötron sayısı farklı izotoplar oluşturmak için değişebilir ve enerji seviyeleri farklı olabilir, bu da farklı nükleer izomerlere neden olur. Örneğin, iki kararlı klor izotopu vardır: ³⁵
₁₇Cl
35 - 17 = 18 nötron ve ³⁷
₁₇Cl
37 - 17 = 20 nötronlu. ⓘ

Hidrojen iyonu

Hidrojenin en yaygın izotopu olan protium, bir proton ve bir elektrondan oluşur (nötronu yoktur). "Hidrojen iyonu" terimi (H⁺
) bu H-atomunun bir elektronunu kaybettiğini ve geriye sadece bir proton kaldığını ifade eder. Bu nedenle, kimyada "proton" ve "hidrojen iyonu" (protium izotopu için) terimleri eşanlamlı olarak kullanılır ⓘ

Proton, çıplak bir çekirdek olarak benzersiz bir kimyasal türdür. Sonuç olarak yoğunlaştırılmış halde bağımsız bir varlığı yoktur ve her zaman bir çift elektronla başka bir atoma bağlı olarak bulunur.

Ross Stewart, Proton: Organik Kimyaya Uygulama (1985, s. 1)

Kimyada proton terimi, hidrojen iyonu H⁺'yı ifade eder.
. Hidrojenin atom numarası 1 olduğundan, bir hidrojen iyonunun elektronu yoktur ve bir protondan (ve en bol bulunan izotop olan protium ¹ için 0 nötrondan) oluşan çıplak bir çekirdeğe karşılık gelir.
₁H
). Proton, bir hidrojen atomunun yarıçapının sadece 1/64.000'i kadar bir "çıplak yük "tür ve bu nedenle kimyasal olarak son derece reaktiftir. Bu nedenle serbest proton, sıvılar gibi kimyasal sistemlerde son derece kısa bir ömre sahiptir ve mevcut herhangi bir molekülün elektron bulutu ile hemen reaksiyona girer. Sulu çözeltide, hidronyum iyonu H₃O⁺ oluşturur ve bu da [H₅O₂]⁺ ve [H₉O₄]⁺ gibi kümelerdeki su molekülleri tarafından çözülür. ⓘ

H⁺ transferi
Bir asit-baz reaksiyonunda genellikle "proton transferi" olarak adlandırılır. Asit proton vericisi, baz ise proton alıcısı olarak adlandırılır. Benzer şekilde, proton pompası ve proton kanalı gibi biyokimyasal terimler de hidratlı H⁺
iyonlar. ⓘ

Bir döteryum atomundan elektron çıkarılmasıyla üretilen iyon, proton değil döteron olarak bilinir. Benzer şekilde, bir trityum atomundan bir elektronun çıkarılması bir triton üretir. ⓘ

Proton nükleer manyetik rezonansı (NMR)

Ayrıca kimyada "proton NMR" terimi, nükleer manyetik rezonans yoluyla (çoğunlukla organik) moleküllerdeki hidrojen-1 çekirdeklerinin gözlemlenmesini ifade eder. Bu yöntem, indirgenmiş Planck sabitinin yarısına eşit olan protonun açısal momentumuna (veya spinine) bağlı kuantize manyetik momenti kullanır. ($\hbar /2$). Bu isim, protonların bileşiklerdeki protiumda (hidrojen-1 atomları) meydana geldikleri şekliyle incelenmesini ifade eder ve incelenen bileşikte serbest protonların var olduğu anlamına gelmez. ⓘ

İnsan maruziyeti

Apollo Lunar Surface Experiments Packages (ALSEP), güneş rüzgârındaki parçacıkların %95'inden fazlasının yaklaşık olarak eşit sayıda elektron ve proton olduğunu belirlemiştir. ⓘ

Güneş Rüzgârı Spektrometresi sürekli ölçümler yaptığından, Dünya'nın manyetik alanının gelen güneş rüzgârı parçacıklarını nasıl etkilediğini ölçmek mümkün olmuştur. Her yörüngenin yaklaşık üçte ikisinde Ay, Dünya'nın manyetik alanının dışındadır. Bu zamanlarda, tipik bir proton yoğunluğu santimetre küp başına 10 ila 20'dir ve çoğu protonun hızı saniyede 400 ila 650 kilometre arasındadır. Her ayın yaklaşık beş günü boyunca Ay, Dünya'nın jeomanyetik kuyruğunun içindedir ve tipik olarak hiçbir güneş rüzgârı parçacığı tespit edilememiştir. Her ay yörüngesinin geri kalanında Ay, Dünya'nın manyetik alanının güneş rüzgarını etkilediği, ancak tamamen dışlamadığı manyetosheath olarak bilinen bir geçiş bölgesindedir. Bu bölgede parçacık akısı azalır, tipik proton hızları saniyede 250 ila 450 kilometredir. Ay gecesi boyunca spektrometre Ay tarafından güneş rüzgârından korunmuş ve hiçbir güneş rüzgârı parçacığı ölçülmemiştir. ⓘ

Protonlar ayrıca toplam parçacık akısının yaklaşık %90'ını oluşturan galaktik kozmik ışınlardan gelen güneş dışı kökene sahiptir. Bu protonlar genellikle güneş rüzgarı protonlarından daha yüksek enerjiye sahiptir ve yoğunlukları Güneş'ten gelen protonlara göre çok daha tekdüze ve daha az değişkendir, bunların üretimi koronal kütle atımları gibi güneş proton olaylarından büyük ölçüde etkilenir. ⓘ

Uzay yolculuğunda tipik olarak bulunan protonların insan sağlığı üzerindeki doz oranı etkileri üzerine araştırmalar yapılmıştır. Daha spesifik olmak gerekirse, protona maruz kalma sonucu kanser gelişimi sırasında hangi spesifik kromozomların zarar gördüğünü tespit etmek ve hasarı tanımlamak için umutlar var. Bir başka çalışma ise "proton ışınlamasına maruz kalmanın dopaminerjik işleyiş, amfetamin kaynaklı şartlı tattan kaçınma öğrenimi ve Morris su labirenti ile ölçülen uzamsal öğrenme ve hafıza dahil olmak üzere nörokimyasal ve davranışsal son noktalar üzerindeki etkilerini" belirlemeye çalışıyor. Gezegenler arası proton bombardımanı nedeniyle bir uzay aracının elektrikle yüklenmesi de çalışma için önerilmiştir. Galaktik kozmik ışınlar ve bunların olası sağlık etkileri ve güneş proton olayına maruz kalma dahil olmak üzere uzay yolculuğu ile ilgili daha birçok çalışma vardır. ⓘ

Amerikan Biostack ve Sovyet Biorack uzay yolculuğu deneyleri, Artemia kistleri de dahil olmak üzere mikroorganizmalar üzerinde ağır iyonların neden olduğu moleküler hasarın ciddiyetini göstermiştir. ⓘ

Antiproton

CPT-simetrisi parçacıkların ve antiparçacıkların göreceli özelliklerine güçlü kısıtlamalar getirmektedir ve bu nedenle sıkı testlere açıktır. Örneğin, bir proton ve antiprotonun yüklerinin toplamı tam olarak sıfır olmalıdır. Bu eşitlik 10⁸'de bir oranında test edilmiştir. Kütlelerinin eşitliği de 10⁸'de birden daha iyi bir oranda test edilmiştir. Antiprotonları bir Penning tuzağında tutarak, proton ve antiprotonların yük-kütle oranının eşitliği 6×10⁹'da bire kadar test edilmiştir. Antiprotonların manyetik momenti 8×10-3 nükleer Bohr manyetonu hata ile ölçülmüş ve bir protonunkine eşit ve zıt olduğu bulunmuştur. ⓘ