Proton

Rozbalit box

Obsah boxu

Proton (symbol p⁺) je subatomární částice s kladným elementárním elektrickým nábojem. Společně s neutronem a elektronem je základní stavební částicí veškeré známé hmoty, neboť je součástí jader všech atomů. Jádro nejběžnějšího izotopu vodíku (protia) je tvořeno jediným protonem. Počet protonů v jádře, známý jako protonové číslo (Z), určuje chemické vlastnosti prvku.

Protony jsou klasifikovány jako baryony a jsou složeny ze tří kvarků: dvou kvarků typu "up" (nahoru) a jednoho kvarku typu "down" (dolů), které jsou vázány silnou jadernou interakcí. Klidová hmotnost protonu je přibližně 938 MeV/c², což je asi 1836krát více než hmotnost elektronu. Ačkoliv je považován za stabilní částici, některé teorie Standardního modelu předpovídají jeho rozpad s poločasem delším než 10³⁴ let, což je mnohonásobně více než stáří vesmíru. Tento rozpad však nebyl nikdy experimentálně pozorován.

⚛️ Struktura a vlastnosti

Proton je hadron, konkrétně baryon, složený ze tří valenčních kvarků: dvou kvarků up a jednoho kvarku down (konfigurace uud). Tyto kvarky jsou drženy pohromadě silnou jadernou interakcí, kterou zprostředkovávají gluony. Značná část hmotnosti protonu nepochází z klidové hmotnosti samotných kvarků, ale z kinetické energie kvarků a energie gluonových polí.

Základní fyzikální vlastnosti:

• Klidová hmotnost: 938,272 MeV/c² (1,672 621 92 × 10⁻²⁷ kg), což je přibližně 1836krát více než hmotnost elektronu.
• Elektrický náboj: +1 e (elementární náboj), což odpovídá +1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ coulombu. Tento náboj je přesně opačný k náboji elektronu.
• Spin: Proton je fermion se spinem ½. Tato vlastnost je klíčová pro nukleární magnetickou rezonanci.
• Poloměr: Poloměr náboje protonu je přibližně 0,84 femtometru (fm), tedy 0,84 × 10⁻¹⁵ m.
• Stabilita: Proton je považován za stabilní částici. Experimentální limity pro jeho poločas rozpadu přesahují 10³⁴ let. Pokud by se protony rozpadaly, znamenalo by to zásadní revizi Standardního modelu částicové fyziky.

Protony a neutrony, společně nazývané nukleony, tvoří atomová jádra. Jsou k sobě vázány zbytkovou silnou interakcí, což je projev silné interakce mezi jejich kvarky.

👶 Proton pro laiky

Představte si, že celý vesmír je postaven z neuvěřitelně malých kostiček Lega. Proton je jednou ze tří nejdůležitějších kostiček, spolu s neutronem a elektronem.

• Stavební kámen hmoty: Proton je jako základní, těžká a vždy kladně nabitá kostička. Najdete ho v úplném středu každého atomu, v oblasti zvané jádro.
• Určuje, co jste: Počet protonů v jádře rozhoduje o tom, jaký prvek to je. Atom s jedním protonem je vždy vodík. Atom se šesti protony je vždy uhlík, základ života. Atom s osmi protony je kyslík, který dýcháme. Počet protonů je jako rodné číslo pro každý prvek.
• Kladný hrdina: Každý proton má malý kladný elektrický náboj. Tento kladný náboj přitahuje záporně nabité elektrony, které kolem jádra obíhají jako planety kolem Slunce. Díky této přitažlivosti drží atomy pohromadě.
• Není sám: Uvnitř protonu je ještě rušněji. Je složen ze tří ještě menších částeček zvaných kvarky, které jsou k sobě "přilepeny" neuvěřitelně silným lepidlem (gluony).

Zjednodušeně řečeno, proton je klíčový, stabilní a kladně nabitý stavební blok, který dává hmotě její identitu a drží atomy pohromadě.

⏳ Historie objevu

Koncept částice podobné vodíkovému jádru jako základní složky hmoty navrhl již v roce 1815 William Prout. Tato myšlenka však byla plně potvrzena až o více než sto let později.

Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford. V roce 1919 prováděl experimenty, při kterých ostřeloval plynný dusík částicemi alfa. Během těchto experimentů si všiml, že jeho scintilační detektory zaznamenávají částice, které se chovají stejně jako jádra vodíku. Rutherford správně usoudil, že tyto částice musí pocházet z atomů dusíku, a tedy že jádro vodíku je základní součástí jader i jiných, těžších prvků.

Protože jádro vodíku má protonové číslo 1, Rutherford usoudil, že se jedná o fundamentální částici. Pojmenoval ji proton z řeckého slova "protos", což znamená "první". Tento objev byl klíčovým krokem k pochopení struktury atomového jádra a vedl k modelu, kde jsou jádra složena z protonů a (později objevených) neutronů.

🔬 Využití

Díky svým unikátním vlastnostem našly protony a jejich svazky uplatnění v mnoha oblastech vědy, techniky a medicíny.

• Protonová terapie: Jedná se o pokročilou formu radioterapie pro léčbu nádorových onemocnění. Svazky protonů lze velmi přesně zacílit tak, aby uvolnily většinu své energie přímo v nádoru (tzv. Braggův vrchol), čímž se minimalizuje poškození okolní zdravé tkáně.
• Částicové urychlovače: Protony jsou urychlovány na rychlosti blízké rychlosti světla v zařízeních jako je Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu. Srážky těchto vysokoenergetických protonů umožňují fyzikům studovat fundamentální částice a síly, které utvářely vesmír krátce po Velkém třesku, a objevovat nové částice, jako byl Higgsův boson.
• Nukleární magnetická rezonance (NMR): Tato spektroskopická technika využívá spinu protonů v jádrech atomů. Když jsou molekuly vystaveny silnému magnetickému poli, protony se specificky orientují. Analýzou jejich chování mohou vědci určit detailní molekulární strukturu látek, což je klíčové v chemii, biochemii a materiálových vědách.
• Výroba izotopů: Ostřelováním stabilních jader protony v cyklotronech lze vyrábět radioizotopy pro lékařské účely, například pro pozitronovou emisní tomografii (PET) a další diagnostické metody.
• Výzkum materiálů: Svazky protonů se používají k analýze a modifikaci materiálů na atomární úrovni, například při implantaci iontů pro změnu vlastností polovodičů.

💡 Zajímavosti a rekordy

• Kosmické záření: Přibližně 90 % částic kosmického záření, které bombarduje zemskou atmosféru z vesmíru, tvoří právě protony.
• Hvězdný motor: Protony jsou palivem pro hvězdy, včetně našeho Slunce. V jádrech hvězd probíhá termonukleární fúze, při níž se protony slučují a vytvářejí jádra helia v procesu známém jako proton-protonový cyklus. Při této reakci se uvolňuje obrovské množství energie, které vnímáme jako sluneční svit a teplo.
• Antičástice: Každá částice má svou antičástici. Antičásticí protonu je antiproton, který má stejnou hmotnost, ale opačný, tedy záporný, elektrický náboj. Při setkání protonu a antiprotonu dojde k jejich vzájemné anihilaci a přeměně jejich hmoty na čistou energii.
• Problém poloměru protonu: V posledních letech vědci narazili na nesrovnalost v měření velikosti protonu. Různé experimentální metody poskytovaly mírně odlišné výsledky, což vedlo k tzv. "hádance poloměru protonu" a naznačovalo možné mezery v našem chápání Standardního modelu. Novější měření z roku 2019 se přiklánějí k menší hodnotě poloměru.
• Počet protonů ve vesmíru: Odhaduje se, že v pozorovatelném vesmíru se nachází přibližně 10⁸⁰ protonů.

Zdroje

Wikipedia - Proton Treking.cz - Proton: klidová hmotnost, náboj a spin částice Wikiwand - Proton Wikipédia - Protón Wikipedia - Kvark IS MUNI - Protony Aldebaran Glossary - Proton