Prooton

Prooton (kreeka keeles prōton, esimene) on subatomaarne osake, mis koosneb kvarkidest ja gluuonist, moodustades liitosakese, hadroni. Prooton on positiivse elektrilaenguga (1 e ehk 1,602176634 × 10⁻¹⁹ C) barüon (barüonlaenguga 1). Prooton on fermion (kõigi fermionide spinn on ½).

Prootonid ja neutronid (ühise nimetusega nukleonid) moodustavad koos aatomituuma. Prootonite arv aatomituumas määrab ära keemilise elemendi. Sama prootonite arvuga, kuid erineva neutronite arvuga aatomid on üksteise isotoobid. Kergeima keemilise elemendi – vesiniku – tuumaks on üksainus prooton (selles tuumas ei ole neutroneid). Neutron või neutronid on aga vesiniku isotoopide tuumades: deuteeriumi tuumas üks neutron ja triitiumi tuumas kaks neutronit. Keemias mõistetakse prootonit kui vesiniku positiivset iooni, mida tähistatakse H⁺.

Üldised omadused

Prooton on liitosake, mis koosneb kahest u-kvargist ja ühest d-kvargist, mis igaüks kannavad erinevat värvilaengut. Kvarke hoiab prootonis koos erinevate värvilaengutega osakeste vahel toimiv tugev vastastikmõju. Prootoni enda summaarne värvilaeng on 0 (neutraalne).

Prootoni seisumass on 938,27208943(29) MeV/c² ehk 1,67262192595(52) × 10⁻²⁷ kilogrammi ning läbimõõt umbes 1,7×10⁻¹⁵m (ehk 1,7 fm).

Prootoni eluiga

Prooton on kergeim barüon. Kuna lagunemine saab viia ainult kergemate osakeste tekkeni, peab prooton standardmudeli kohaselt olema barüonide arvu jäävuse tõttu stabiilne. Kamiokande katsed näitavad, et võimalik poolestusaeg ei tohiks olla lühem kui 10³² aastat.

Prooton saab muutuda neutroniks elektronhaarde teel, mille puhul raskemaks osakeseks muutumiseks vajalik lisaenergia saadakse electronilt.

${\displaystyle {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}\to {\hbox{n}}+{\nu }_{\mathrm {e} }}$

Tuuma sees võib prooton muutuda neutroniks ka beetalagunemise teel, mis toimub tänu nõrgale vastastikmõjule. Selline protsess saab toimuda ainult seetõttu, et prooton saab muutumiseks vajaliku lisaenergiat tuuma seoseenergia vähenemise arvel.

${\displaystyle {\hbox{p}}\to {\hbox{n}}+{\hbox{e}}^{+}+{\nu }_{\mathrm {e} }}$

Beetalagunemine toimub ebastabiilsetes aatomituumades. Kui tuumas on neutroneid vähem kui stabiilses tuumas, siis muutub prooton neutroniks. Kui tuumas on neutroneid rohkem kui stabiilses tuumas, siis muutub neutron prootoniks.

${\displaystyle {\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{\mathrm {e} }}$

Uurimistöö ajaloost

1815. aastal püstitas William Prout hüpoteesi, et kõik aatomid koosnevad vesinikuaatomitest.

1913. aastal töötas Niels Bohr välja tema järgi nimetatud vesinikuaatomi mudeli, milles elektron tiirleb ümber positiivselt laetud aatomituuma. See tuum on prooton.

1919. aastal viis Ernest Rutherford läbi esimese tehisliku tuumatransmutatsiooni: 14N + α → 17O + p. Ta täheldas, et vesiniku tuumad eralduvad, kui lämmastiku tuumasid pommitatakse alfaosakestega. Seejärel püstitas ta hüpoteesi, et kõik aatomituumad koosnevad vesiniku tuumadest ja pakkus neile nimetuse prooton.

Seda, et prootonitel on spinn ½, demonstreeris [David Dennison]] 1927. aastal, uurides vesiniku erisoojus}e temperatuurisõltuvust. See varieerub madalatel temperatuuridel sõltuvalt sellest, kas kahe prootoni spinnid on paralleelsed või antiparalleelsed. Leiti, et toatemperatuuril olid ¾-l molekulidest paralleelsed spinnid ja ¼-l antiparalleelsed spinnid. See suhe on kooskõlas ainult prootoni spinniga ½.

Suure energiaga elektronidega tehtud hajumiskatsete abil näitas Robert Hofstadteri juhitud rühm Stanfordi ülikoolis 1954. aastal, et prootonil on ruumiline ulatus.

Viited