Definicja pojęcia:

proton

Proton, p, p⁺ – trwała cząstka subjądrowa o dodatnim ładunku elektrycznym o wartości 1,602177 · 10⁻¹⁹ C, masie spoczynkowej ok. 1,673 · 10⁻²⁷ kg, momencie magnetycznym +2,79 magnetonów jądrowych (µN) i niecałkowitym spinie ½, odkryta w 1919 r. przez brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda. Proton należy do podgrupy barionów w obrębie grupy hadronów; składa się z dwóch kwarków górnych (u) i jednego kwarku dolnego (d). Protony wraz z neutronami są składnikami jąder atomowych; mogą również występować w postaci cząstek swobodnych. Wykorzystywane są w badaniach jąder atomowych i sił jądrowych, produkcji izotopów promieniotwórczych, diagnostyce obrazowej (protonowa spektroskopia rezonansu magnetycznego) oraz terapii chorób nowotworowych (terapia protonowa).
  1. Właściwości protonu
  2. Proton jako składnik atomu
  3. Proton swobodny
  4. Wykorzystanie protonów

Właściwości protonu

Proton (p, p⁺) jest trwałą, dodatnio naładowaną cząstką subjądrową o ładunku elektrycznym wartości 1,602177 · 10⁻¹⁹ C, masie spoczynkowej wynoszącej ok. 1,673 · 10⁻²⁷ kg, momencie magnetycznym o wartości +2,79 magnetonów jądrowych (µN), niecałkowitym spinie ½ (liczbie spinowej ½) oraz liczbie barionowej wynoszącej 1. Proton został odkryty w 1919 r. przez brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda; antycząstka protonu (antyproton) została odkryta w 1955 r. przez amerykańskich fizyków Owena Chamberlaina i Emilio Segré.

Proton należy do grupy hadronów, złożonych cząstek subjądrowych uczestniczących w oddziaływaniach silnych. Proton wraz z neutronem jako cząstki posiadające niecałkowity spin (fermiony) zaliczane są do podgrupy hadronów – barionów. Proton jest złożoną cząstką składającą się z połączonych silnym oddziaływaniem kwarków – dwóch kwarków górnych (u) i jednego kwarku dolnego (d). Antyproton (p), różniący się od protonu momentem magnetycznym (-2,79 µN) oraz liczbą barionową (-1), zbudowany jest z dwóch antykwarków antygórnych (u) i jednego antykwarku antydolnego (d).

Protony, jak wszystkie cząstki elementarne, wykazują dualizm korpuskularno-falowy – przejawiają zarówno cechy cząstek obdarzonych masą (właściwości korpuskularne) oraz cechy fali (fale materii, fale de Broglie’a) – mogą ulegać zjawiskom dyfrakcji i interferencji.
Schematyczne budowa protonu. Proton zbudowany jest z połączonych silnym oddziaływaniem kwarków – dwóch kwarków górnych (u) i jednego kwarku dolnego (d). Źródło: Wikimedia.org

Proton jako składnik atomu

Atom jest podstawowym składnikiem materii, składającym się z jądra atomowego o dużej gęstości oraz krążących wokół jądra ujemnie naładowanych elektronów. Jądro atomowe każdego pierwiastka chemicznego (poza jądrem izotopu wodoru ¹H zawierającego wyłącznie jeden proton) składa się z określonej liczby dodatnio naładowanych cząstek – protonów (liczba atomowa, Z) oraz z określonej liczby cząstek obojętnych elektrycznie – neutronów (liczba neutronowa, N). Suma nukleonów (protonów i neutronów) określana jest jako liczba masowa, A (A = Z + N). Atomy zawierające tę samą liczbę protonów (o tej samej liczbie atomowej) są atomami tego samego pierwiastka; atomy różniące się liczbą neutronów (liczbą neutronową oraz liczbą masową) stanowią izotopy danego pierwiastka chemicznego.

Protony i neutrony wiązane są w jądra atomowe za pomocą silnych oddziaływań, zwanych siłami jądrowymi. Są one na ogół siłami przyciągającymi, cechują się krótkim zasięgiem działania (ok. 1-2 fm) oraz niezależnością od ładunku elektrycznego nukleonów – siły działające pomiędzy protonami (p-p), neutronami (n-n) oraz protonami i neutronami (p-n) wykazują w przybliżeniu równe wartości. Protony i neutrony pod wpływem sił jądrowych zachowują się jak dwa stany kwantowe tej samej cząstki – tworzą tzw. dublet izospinowy (izospin). Naładowane ujemnie elektrony krążące wokół jądra atomowego przyciągane są siłami elektrostatycznymi przez znajdujące się w jądrze dodatnio naładowane protony.
Struktura atomu, źródło: shutterstock

Proton swobodny

Protony swobodne (p⁺) niezwiązane z jądrem atomowym zgodnie z założeniami modelu standardowego jako najlżejsze cząstki z grupy barionów są cząstkami trwałymi, nie ulegającymi procesom samorzutnego rozpadu. Cząstki te mogą jednak ulegać przemianie pod wpływem dostarczenia odpowiedniej ilości energii. W reakcji jądrowej określanej mianem wychwytu elektronu (odwrotnej przemiany β) jeden z elektronów (e-) znajdujący się zwykle na powłoce elektronowej położonej najbliżej jądra atomowego przechwytywany jest przez proton (p+), wskutek czego dochodzi do powstania neutronu (n0) oraz emisji neutrina elektronowego (Ve):
Proces ten jest odwracalny, nietrwałe neutrony po upływie ok. 15 minut ulegają procesowi spontanicznego rozpadu (rozpadu β⁻) z wytworzeniem protonu (p+), elektronu (e-) oraz antyneutrina elektronowego (Ve):
Protony swobodne występują naturalnie w plazmie (zjonizowanej materii o gazowym stanie skupienia zawierającej równoważne ilości ładunków dodatnich i ujemnych), gdzie wysokie temperatury uniemożliwiają oddziaływanie tych cząstek z elektronami (np. w jądrach gwiazd). Cząstki te stanowią główny składnik (ok. 90%) pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony swobodne są także produktami niektórych reakcji rozpadu promieniotwórczego oraz rozpadu bardzo nietrwałych cząstek złożonych (np. hiperonów oraz mezonów); mogą powstawać również w wyniku jonizacji termicznej atomów wodoru.

Wykorzystanie protonów

Protony wykorzystywane są w fizyce jądrowej w badaniach jąder atomowych i sił jądrowych oraz w procesach produkcji izotopów promieniotwórczych (np. radioizotopów medycznych). Spektroskopia protonowa, jedna z głównych technik magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), używana jest w identyfikacji i badaniach struktury białek i innych złożonych związków organicznych

Protony mają również zastosowanie w diagnostyce obrazowej wykorzystywanej np. do wczesnego wykrywania zmian nowotworowych w ośrodkowym układzie nerwowym (spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, NMR) oraz w terapii chorób nowotworowych (radioterapia protonowa).
Obraz rezonansu magnetycznego mózgu, źródło: shutterstock

Bibliografia

  1. Loretta Jones, Peter Atkins; “Chemia ogólna – cząsteczki, materia, reakcje”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.;
  2. Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price; “Chemistry. Introducing inorganic, organic and physical chemistry ”; Oxford University Press, 2017.;
  3. “Nowa Encyklopedia Powszechna PWN ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997.;
  4. K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
  5. K.M. Pazdro; “Podstawy chemii dla kandydatów na wyższe uczelnie”; Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1991.;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 5.0
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź