پروتون چیست و از ویژگیهای آن چه می دانید؟

پروتون یک ذره زیر اتمی پایداراست که دارای بار مثبت برابر با اندازه واحد بار الکترون و جرم ۱.۶۷۲۶۲ × ۱۰−۲۷ کیلوگرم است که ۱۸۳۶ برابر جرم الکترون است. پروتونها ، همراه با ذرات الکتریکی خنثی دیگری به نام نوترون ، تمام هسته های اتمی به جز هسته هیدروژن (که از یک پروتون تشکیل شده است) را تشکیل می دهند.

هسته همه اتم های یک عنصر شیمیایی مشخص تعداد برابری پروتون دارد که عدد اتمی یک عنصر را نشان می دهد و موقعیت عنصر را در جدول تناوبی تعیین می کند. وقتی تعداد پروتونهای هسته برابر با تعداد الکترون هایی باشد که به دور هسته می چرخند ، اتم از نظر الکتریکی خنثی خواهد بود. تحقیق در مورد الکترون ، پروتون ، نوترون و بطورکلی هسته اتم همچنان ادامه دارد تا از خواص این ذرات زیرهسته ای بیشتر استفاده شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا در ادامه ما را همراهی کنید.

تاریخچه کشف پروتون

گلدشتاین در سال ۱۸۸۶ دریافت كه نسبت بار به جرم ذرات مثبت به ماهیت گاز موجود در لوله کاتدی بستگی دارد. این بدان معنی است که نسبت بار به جرم (e / m) برای گازهای مختلف متفاوت است.

وی مشاهده کرد که نسبت بار به جرم پرتوهای مثبت گاز هیدروژن استفاده شده در لوله کاتدی بیشترین است. دلیل اصلی آن این است که هیدروژن سبکترین اتم است بنابراین m کمترین مقدار را خواهد داشت بنابراین نسبت e / m در این حالت بالاترین خواهد بود.

بدین ترتیب ذره موجود در پرتوهای مثبت در لوله کاتدی به عنوان پروتون نامگذاری شد. وقتی الکترون را از اتم هیدروژن خارج کنیم می توان یک پروتون تولید کرد.

H (hydrogen atom) → H⁺   (proton) +   e^– (electron)

بنابراین ، می توان گفت که پروتون همان یون هیدروژن است (H +).

همه اتم ها از ذرات نوترون ، پروتون و الکترون تشکیل شده اند و نماد الکترون، پروتون ، نوترون برای افتراق این ذرات زیراتمی از یکدیگر در شیمی مورد استفاده قرار می گیرد.

کاربردهای پروتون

به پروتونهای هیدروژن یونیزه سرعت بالایی در شتاب دهنده های ذرات داده می شود و معمولاً به عنوان گلوله برای تولید و مطالعه واکنش های هسته ای استفاده می شود. پروتون ها سازنده اصلی پرتوهای اولیه کیهانی هستند و از جمله محصولات برخی از انواع واکنش های هسته ای مصنوعی می باشند.

پروتون درمانی یا رادیوتراپی نوعی ذره درمانی است که از پرتوی پروتون برای تابش به بافت بیمار ، اغلب برای درمان سرطان ، استفاده می کند. مزیت اصلی پروتون درمانی نسبت به سایر انواع رادیوتراپی پرتوی خارجی (به عنوان مثال ، پرتودرمانی یا فوتون درمانی) این است که دوز این ذرات در یک دامنه باریک از عمق رسوب می کند  که منجر به حداقل ورود ، خروج یا پراکندگی دوز تابش به بافت های سالم اطراف می شود.

ماهیت پروتون‌

تحقیقات نشان داده است که پروتون‌ها از ذرات بنیادی موسوم به گلوئون و کوارک تشکیل شده اند. تفاوت این دو ذره بنیانی این است که گلوئون‌ها نیروی بسیار زیاد بین کوارک‌ ها را حمل کرده و باعث پیوند آن‌ها به یکدیگر می‌شود. کشف این ذرات محدود به سال‌های اخیر است و دانشمندان همچنان در حال بررسی این ذرات بنیادی و پی بردن به ویژگیهای آنها هستند.

نسبت تعداد نوترون به پروتون که نسبت هسته ‌ای نامیده می شود نسبت تعداد نوترون های موجود در هسته یک اتم به تعداد پروتونهای آن است که با بالاتر رفتن عدد اتمی افزایش می ‌یابد. هرچه این نسبت بالاتر باشد ناپایداری و پرتوزایی هسته رانشان می دهد.

ویژگی پروتون

پروتون ها ذراتی دارای بار مثبت هستند که در هسته های اتمی یافت می شوند. رادرفورد آنها را در آزمایش با لوله های پرتوی کاتدی کشف کرد. جرم پروتونها در حدود ۹۹.۸۶٪  نوترون ها است.

تعداد پروتونهای یک اتم برای هر عنصر منحصر به فرد است. به عنوان مثال ، اتمهای کربن دارای شش پروتون ، اتمهای هیدروژن یک و اتمهای اکسیژن دارای هشت پروتون هستند. از تعداد پروتونهای یک اتم به عنوان عدد اتمی آن عنصر یاد می شود. تعداد پروتون ها نیز رفتار شیمیایی عنصر را تعیین می کند. عناصر در جدول تناوبی به ترتیب افزایش عدد اتمی مرتب شده اند.

هر پروتون از سه کوارک تشکیل شده است – دو کوارک “بالا” (هر کدام با دو سوم بار مثبت) و یک کوارک “پایین” (با یک سوم بار منفی) – و توسط ذرات زیر اتمی دیگر به نام گلوئون نگه داشته می شوند ، که فاقد جرم هستند.

فشار داخل پروتون

پروتونها در هسته اتم از کوارک‌های محصور شده توسط گلوئن‌ها تشکیل شده‌اند و فشار داخل این ذرات زیراتمی معادل فشار وارد شده به کوارک‌ ها است. این میزان فشار در مرکز هسته به بیش‌ترین مقدار ممکن می ‌رسد که برابر با   ۱۰۳۵Pa می باشد.

شعاع بار در پروتون

مشکلی که در توصیف شعاع پروتونها وجود دارد این است که اتم‌ها و هسته آن‌ها مرز مشخصی ندارند. با این حال اگر هسته را به صورت کره‌ای با بار مثبت در نظر بگیریم با آزمایش‌ پراکندگی الکترون می توان شعاع پروتونهای آن را تعیین کرد. بر این اساس شعاع بار پروتون برابر با ۰/۸۷۶۸ فمتومتر می باشد.

محاسبه جرم پروتون

از آنجاییکه جرم پروتون پارامتر مهمی در فیزیک اتمی است روش های مختلفی برای اندازه گیری آن وجود دارد. جرم پروتون حتی بر چگونگی حرکت الکترون‌ها به دور هسته‌ اتم نیز موثر است.

برای تعیین این جرم فیزیکدانان از سامانه پیشرفته‌ تله‌ پنينگ استفاده می کنند در چنین تله ‌ای می‌توان ذرات با بار منفرد را با بهره‌ گیری از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی محبوس کرد و بررسی نمود.

چرا پروتون ها همدیگر را دفع نمی کنند؟

همان طور که می دانیم  بارهای  الکتریکی مثبت و یا منفی یکدیگر را دفع می کنند. بنابراین هسته اتم که بار الکتریکی مثبت دارد متلاشی شدن آن محتمل بنظر می رسد زیرا بارهای همنام یکدیگر را دفع می کنند.

ولی به علت اینکه بین نوکلئون های هسته نیروهایی بسیار قویتری به نام نیروی هسته ای وجود دارد هنگامی که نوکلئون ها در فواصل بسیار کم از یکدیگر قرار دارند این نیروها اعمال شده و از متلاشی شدن هسته اتم جلوگیری می کنند.