Protoni
| Protoni | |
|---|---|
 Kaavakuva protonin kvarkkirakenteesta |
|
| Symboli | p, p+ |
| Luokitus | Baryoni |
| Rakenne |
2 u-kvarkkia ja 1 d-kvarkki |
| Perhe | Fermioni |
| Ryhmä | Hadroni |
| Vuorovaikutus |
Painovoima Sähkömagneettinen Heikko vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus |
| Antihiukkanen | Antiprotoni p− |
| Löydetty teoreettisesti | William Prout (1815) |
| Löydetty | Ernest Rutherford (1919) |
| Massa |
1,672 621 64 × 10−27 kg 938,272 013 MeV/c2 1,007 276 467 u[1] |
| Elinaika | Kts. hajoaminen |
| Sähkövaraus | +1 e |
| Spin | ½ |
Protoni (tunnus p tai p+) on subatominen hiukkanen, jonka sähkövaraus on +1 e eli positiivinen alkeisvaraus ja massa noin yhden atomimassayksikön verran. Protonit muodostavat atomiytimet yhdessä sähkövarauksettomien neutronien kanssa. Alkuaineen järjestysluku määräytyy sen ytimessä olevien protonien lukumäärän mukaan: esimerkiksi vedyn, jonka ytimessä on vain yksi protoni, järjestysluku on 1. Joskus protoneita ja neutroneita kutsutaan myös yhteisnimityksellä nukleonit.
Protoni on sähkövaraukseltaan yhtä suuri, mutta vastakkaismerkkinen kuin elektroni, minkä seurauksena positiivisesti varautunut atomiydin pyrkii keräämään ympärilleen elektroniverhon, jossa on täsmälleen yhtä monta elektronia kuin ytimessä on protoneja. Tässä tilassa elektronipilven negatiivinen varaus kumoaa ytimen positiivisen varauksen, ja atomit ovat ulkoisesti varauksettomia.
Hiukkasfysiikan standardimallissa protoni on hadroni, joka koostuu vahvan vuorovaikutuksen yhteen sitomista kvarkeista. Se koostuu yksinkertaistetusti ilmaisten kahdesta u-kvarkista ja yhdestä d-kvarkista. Näiden hiukkasten lepomassa muodostaa noin 1 % protonin kokonaismassasta. Loppu massasta muodostuu kvarkkien liike-energiasta ja ne yhteen sitovien gluonikenttien energioista. Protonin antihiukkanen on antiprotoni, joka koostuu kahdesta u-antikvarkista ja yhdestä d-antikvarkista.[2]
Ominaisuudet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Protonit ovat hadroneja, joiden spin on ½ ja sähkövaraus +1 e. Ne koostuvat kolmesta kvarkista, mikä tekee niistä baryoneja. Vahva vuorovaikutus sitoo protonin kahta u-kvarkkia ja yhtä d-kvarkkia yhteen gluonien välityksellä. Tämä kuvaus on toisaalta hieman harhaanjohtava, sillä nykyaikaisen käsityksen mukaan protoni muodostuu kolmen kvarkin ja gluonien lisäksi lukemattomasta määrästä keskenään törmäileviä syntyviä ja katoavia kvarkki–antikvarkki -pareja.[2] Protonin säde on 0,84 femtometriä.[3]
Hajoaminen
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Protonin hajoaminen
Protonin hajoammista kevyemmiksi alkeishiukkasiksi ei ole toistaiseksi havaittu kokeellisesti, joten sitä pidetään standardimallissa vakaana hiukkasena. Joissakin standardimallin seuraajiksi ehdotetuissa suurissa yhtenäisteorioissa protonin hajoaminen on kuitenkin mahdollista.[4]
Jotkut suuret yhtenäisteoriat ennustavat protonin hajoamista esimerkiksi neutraaliksi pioniksi ja positroniksi. Pioni hajoaisi tämän jälkeen lähes välittömästi kahdeksi fotoniksi. Prosessin kokeellinen tutkimus on kuitenkin hyvin vaikeaa, sillä protonin puoliintumisajan alarajaksi sen kautta arvioitiin 90 % todennäköisyydellä 8,2 × 1033 vuotta.[5]
Toinen teoreettinen protonin hajoamisprosessi on hajoaminen myoniksi ja pioniksi. Arvioitu puoliintumisajan alaraja 90 % varmuudella on 6,6 × 1033 vuotta.[5]
Massa
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Vuonna 2018 julkaistun tutkimuksen mukaan vain yhdeksän prosenttia protonin massasta on kvarkeista. Loppuosa massasta koostuu massan ja energian ekvivalenssiperiaatteen mukaisesti kvarkkien liikkeestä protonin sisällä (32 %), gluonien energiasta (36 %) ja vuorovaikutuksista gluonien ja kvarkkien välillä (23 %). [6]
Protoni kemiassa
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Alkuaineiden järjestysluvut
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Atomin ytimessä olevien protonien määrää kutsutaan alkuaineen järjestysluvuksi.[7] Neutronien määrä puolestaan voi vaihdella samassa alkuaineessa, jolloin puhutaan alkuaineen isotoopeista. Protonien ja neutronien yhteenlaskettua määrää atomin ytimessä puolestaan kutsutaan atomin massaluvuksi, joka siis vaihtelee samankin alkuaineen eri isotoopeilla.
Esimerkiksi hapen järjestysluku on 8, koska sen ytimessä on kahdeksan protonia. Vedyn järjestysluku on 1, koska sen ytimessä on vain yksi protoni. Jos siellä on myös yksi neutroni, on kyseessä isotooppi vety-2 eli deuterium.
On myös arveltu, että jos vahva vuorovaikutus olisi hieman voimakkaampi, voisi esiintyä erittäin epävakaata isotooppia helium-2. Isotoopin ytimessä olisi kaksi toisiinsa sitoutunutta protonia eikä yhtään neutronia. Tämä ei kuitenkaan ole nykyisillä vuorovaikutuksien nykyisillä arvoilla mahdollista.
Vetyioni
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Kemiassa protonilla tarkoitetaan yleensä vetyionia (H+), joka syntyy, kun vedyn tavallisimman isotoopin atomi menettää ainoan elektroninsa, ja jäljelle jää vain yhdestä protonista koostuva atomiydin. Tällaisia vapaita vetyioneja eli protoneja ei normaaleissa olosuhteissa esiinny liuoksissa, mutta hapon ja emäksen reagoidessa keskenään siirtyy yksi protoni molekyylistä tai kompleksi-ionista toiseen. Hapot ovat protonin luovuttajia, emäkset vastaanottajia. Esimerkiksi vesiliuoksissa hapot luovuttavat protonin vesimolekyylille, joka tällöin muuttuu oksoniumioniksi (H3O+). Hapon ja emäksen neutraloituminen vesiliuoksessa tapahtuu niin, että oksoniumioni luovuttaa protonin hydroksidi-ionille, jolloin molemmat muuttuvat vesimolekyyleiksi seuraavasti:
H3O+ + OH- ⇒ 2 H2O.
Antihiukkanen
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Antiprotoni
Protonilla on vastaava antihiukkanen, kahdesta u-antikvarkista ja yhdestä d-antikvarkista koostuva antiprotoni. Protonin ja antiprotonin massojen erotuksen tulisi vastata tismalleen nollaa, minkä on todettu pitävän paikkaansa kuuden miljardisosan tarkkuudella.[8] Protonin ja antiprotonin kohdatessa hiukkaset annihiloivat toisensa.
Löytöhistoria
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Eri alkuaineiden suhteelliset atomipainot pystyttiin mittaamaan jo 1800-luvun alussa. Tällöin osoittautui, että useimpien alkuaineiden atomipainot olivat likipitäen vedyn atomipainon monikertoja, toisin sanoen, jos yksikkönä käytetään vedyn atomipainoa, muidenkin alkuaineiden atomipainot ovat hyvin lähellä kokonaislukuja.[9]. Tällä perusteella William Prout esitti vuonna 1815 hypoteesin, jonka mukaan vetyatomi, jota hän kutsui myös "protyliksi", olisi kaikkien muiden alkuaineiden atomien rakenneosana ja että muut atomit siis koostuisivat joukosta lujasti toisiinsa sitoutuneita vetyatomeja.[9][10] Tämä käsitys tuli tunnetuksi Proutin hypoteesina. Se kuitenkin menetti uskottavuutensa, kun atomipainot saatiin mitatuiksi entistä tarkemmin ja lisäksi todettiin, että muutamien alkuaineiden, esimerkiksi kloorin, atomipainot eivät olleet lähelläkään kokonaislukuja.
Vuonna 1886 Eugen Goldstein löysi kanavasäteet, jotka tunnettiin myös anodisäteinä, ja osoitti niiden koostuvan positiivisista ioneista. Samoihin aikoihin löydettiin myös katodisäteet. J. J. Thomson osoitti, että katodisäteillä niiden varauksen ja massan suhde on aina sama, mikä johti elektronin löytämiseen. Sitä vastoin kanavasäteillä tämä suhde on eri suuri riippuen siitä, mitä kaasua putkessa käytetään, joten ne eivät voineet kaikissa tapauksissa koostua samoista hiukkasista.
Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän keksi Mendelejev 1870-luvulla. Alun perin alkuaineet järjestettiin siinä atomipainon mukaan. Sen jälkeen kun Ernest Rutherford vuonna 1911 löysi atomiytimen, Antonius van den Broek esitti, että kunkin alkuaineen paikan jaksollisessa järjestelmässä itse asiassa määräisikin sen ytimen varaus. Henry Moseley vahvisti tämän hypoteesin kokeellisesti vuonna 1913 tutkimalla eri alkuaineiden röntgenspektrejä.
Vuonna 1917 tekemillään kokeilla, joiden tulokset julkaistiin vuonna 1919, Rutherford osoitti, että muiden alkuaineiden atomiytimissä todella on vety-ytimien kaltaisia hiukkasia. Tätä koetta pidetään usein protonin löytämisenä.[11] Jo aikaisemmin hän oli saanut muodostetuksi paljaita vety-ytimiä antamalla alfasäteilyn vaikuttaa vetykaasuun, ja ne voitiin tunnistaa tuikeilmaisimilla. Rutherford havaitsi, että sellaisia syntyi myös alfasäteilyn vaikuttaessa ilmaan ja vielä enemmän, jos sen annetaan kulkea puhtaan typpikaasun läpi. Koska typpiytimestä saattoi irrota vety-ytimen kaltainen hiukkanen, täytyi tämän olla typpiytimen rakenneosana. Lisäksi voitiin todeta, että kokeessa syntyi happea. Rutherford oli siis saanut aikaan ensimmäisen keinotekoisen ydinreaktion, jota voidaan kuvata seuraavasti:
- 14N + α → 17O + p
tai
- 147N + 42He → 17168O + 11H[12]
Rutherford tiesi, että vety oli alkuaineista kevein, ja hän oli myös tietoinen Proutin yli sata vuotta aikaisemmin esittämästä hypoteesista. Havainto, että vety-ytimen kaltaisia hiukkasia oli kaikkien muidenkin alkuaineiden atomiytimistä, johti hänet päätelmään, että tämä ydin oli alkeishiukkanen, jolle oli annettava nimi. Hän antoi tälle nimen protoni (engl. proton), joka johtui kreikan kielen ensimmäistä tarkoittavasta sanasta πρῶτον (proton). Hänellä oli tällöin mielessään myös Proutin käyttämä termi protyli. British Association for the Advancement of Sciencen kokouksessa Cardiffissä 24. elokuuta 1920 Oliver Lodge pyysi Rutherfordia keksimään vety-ytimelle jonkin uuden nimen erotukseksi neutraalista vetyatomista. Rutherford ehdotti nimiä proton tai vaihtoehtoisesti William Proutin mukaan proutoni. Myöhemmin hän kertoi, että kokous hyväksyi hänen sille antamansa nimen protoni. Ensimmäisen kerran sana esiintyi tieteellisessä kirjallisuudessa jo samana vuonna.
Katso myös
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Lähteet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- ↑ Mohr, Peter; Taylor, Barry & Newell, David: CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 Reviews of Modern Physics. 2006. Viitattu 6.6.2014. (englanniksi)
- ↑ a b Strassler, Matt: What’s a Proton, Anyway? Of Particular Significance. 2011. Viitattu 7.7.2013. (englanniksi)
- ↑ Ubachs, Wim: Crisis and catharsis in atomic physics. Science, 27.11.2020, 370. vsk, nro 6520, s. 1033. doi:10.1126/science.abf0589 (englanniksi)
- ↑ Proton Decay HyperPhysics. Viitattu 29.9.2014. (englanniksi)
- ↑ a b Nishino et al.: Search for Proton Decay via p→e+π0 and p→μ+π0 in a Large Water Cherenkov Detector 8.4.2009. Super-Kamiokande Collaboration. Viitattu 29.9.2014. (englanniksi)
- ↑ https://www.sciencenews.org/article/proton-mass-quarks-calculation
- ↑ Hamilo, Marko; Niinistö, Lauri; Paukku, Timo; Mannila, Johanna ja Björkholm, Susanne: Alkuaineet, s. 1. Helsingin Sanomat, 2007. ISBN 978-952-5557-16-9
- ↑ G. Gabrielse: Antiproton mass measurements International Journal of Mass Spectrometry. 2006. Viitattu 7.1.2013. (englanniksi)
- ↑ a b K. V. Laurikainen, Uuno Nurmi, Rold Qvickström, Erkki Rosenberg, Matti Tiilikainen: Lukion fysiikka 3, s. 85. WSOY, 1974. ISBN 951-0-06318-5
- ↑ Otavan iso Fokus, 5. osa (Mo–Qv), s. 3285, art. Prout, William. Otava, 1973. ISBN 951-1-01070-0
- ↑ R.H. Petrucci, W.S. Harwood, and F.G. Herring: General Chemistry (8th ed.), s. 41. Määritä julkaisija!
- ↑ Lukion fysiikka, s. 102
Aiheesta muualla
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
- Particle Data Group – The Review of Particle Physics (englanniksi)
Alkeishiukkaset | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Fermionit | |||||
| Bosonit |
| ||||
| Hypoteettiset |
| ||||
| Yhdistelmähiukkaset | |||||
| Hadronit |
| ||||
| Muut | Atomi · Atomiydin · Dikvarkki · Eksoottinen atomi (Positronium · Myonium · Tauonium) · Molekyyli · Pentakvarkki · Tetrakvarkki | ||||
| Hiukkaslöytöjen aikajana | |||||