Proton

Proton, her atom çekirdeğinde bulunan, artı bir birim elektrik yükü taşıyan atomaltı parçacıktır. Kütlesi nötronunkinden biraz az, elektronunkinin ise yaklaşık 1836 katıdır. Bir çekirdekteki proton sayısı o elementin kimliğini belirler: tek protonlu çekirdek hidrojendir, iki protonlu helyumdur. Adını 1920'de Ernest Rutherford koydu; Yunanca "ilk" anlamına gelir.

Nasıl işler?

Bir zamanlar temel parçacık sanılan proton, bugünkü Standart Model'e göre bileşiktir: iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşur ve bu kuarkları gluonlar güçlü kuvvetle bir arada tutar. İlginç biçimde kuarkların kendi kütleleri protonun kütlesinin yalnızca yüzde 1 kadarını karşılar; geri kalanı kuarkların hareket enerjisinden ve onları bağlayan alanın enerjisinden gelir.

Serbest protonun kendiliğinden bozunduğu hiç gözlenmedi; bu yüzden kararlı kabul edilir. Bazı büyük birleşik kuramlar çok uzun bir ömür öngörür, ama Japonya'daki Super-Kamiokande dedektörü, incelenen bozunma yolları için ömrün 10³⁴ yılın üzerinde olması gerektiğini gösterdi. Bu süre evrenin yaşının çok çok üstündedir. Hidrojenin en yaygın izotopunun çekirdeği tek bir protondan ibarettir; ağır izotoplar olan döteryum ve trityumda bu protona bir ya da iki nötron eşlik eder.

Örnekler

Evrendeki protonların çoğu Büyük Patlama'nın ilk dakikalarından kalmadır. Büyük Patlama nükleosentezi sona erdiğinde maddenin kütlece yaklaşık yüzde 75'i hidrojen, yüzde 25'i helyumdu. Güneş'in görünen yüzeyi de kütlece yaklaşık yüzde 73 hidrojendir.

Güneş'in çekirdeğinde protonlar birbirini iten elektrik kuvvetini yenecek kadar hızlanır ve proton-proton zinciri denen tepkimelerle helyuma dönüşür. Bu fikri 1920'lerde Arthur Eddington savundu, ayrıntılarını 1938'de Hans Bethe çalıştı. Güneş'in yaydığı enerjinin yaklaşık yüzde 99'u bu zincirden gelir. Çarpışmaların çok büyük kısmı sonuçsuz kaldığı için süreç yavaştır ve Güneş'i milyarlarca yıl yakıt sıkıntısı çekmeden parlatır.

Uzayda serbest protonlar her yerdedir. Kozmik ışınların yaklaşık yüzde 90'ı yüksek enerjili protonlardır. Apollo astronotlarının Ay'a bıraktığı aletler, Güneş rüzgârındaki parçacıkların yüzde 95'inden fazlasının elektron ve proton olduğunu, protonların çoğunun saniyede 400-650 kilometre hızla aktığını ölçtü.

Protonun keşfi adım adım geldi. Eugen Goldstein 1886'da boşalma tüplerinde artı yüklü "kanal ışınları"nı gördü, Wilhelm Wien 1898'de bunların elektronlardan çok daha ağır olduğunu gösterdi. Rutherford 1919'da radyumdan çıkan alfa parçacıklarını havaya çarptırarak azot çekirdeklerinden hidrojen çekirdekleri kopardı; 1920'de bunların öbür çekirdeklerin de yapı taşı olduğu sonucuna vardı. Protonun yük yarıçapı yaklaşık 0,84 femtometredir, yani hidrojen atomunun yarıçapının kabaca 64.000'de biri. Çekirdekten kopmuş serbest bir nötron ise ortalama 15 dakika içinde bozunarak protona dönüşür. Günümüzde protonlar Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi hızlandırıcılarda ve kanser tedavisinde kullanılan proton terapisinde de iş görür.

Neden önemli?

Proton, yıldızların yakıtı ve kimyasal elementlerin temel taşıdır. Uzay araştırmaları açısından ise bir tehlike kaynağıdır: Güneş patlamalarının ardından gelen proton fırtınaları uydu elektroniğini bozabilir, astronotların aldığı radyasyon dozunu artırır. Kapaktaki SOHO görüntüsünde görülen "kar" lekeleri, aletlere çarpan yüksek enerjili parçacıkların izidir. Bu nedenle protonlar uzay havası tahminlerinin de baş konusudur.

İlgili terimler

• Nötrino
• Kozmik ışın
• Güneş rüzgârı
• Antimadde
• Uzay havası