Protonet: Blloqet thelbësore të ndërtimit të atomeve

Protonet janë grimca të vogla nënatomike që, së bashku me neutronet, formojnë bërthamën e një atomi.

Sa më i rëndë të jetë atomi, aq më shumë protone (dhe neutrone) përmban. Hidrogjeni, i cili është elementi më i lehtë, ka një bërthamë të bërë nga një proton i vetëm. Elementi më i rëndë në Tabelën Periodike, që është Oganesson, ka 118 protone.

Protonet nuk janë grimca elementare; ato në fakt përbëhen nga grimca edhe më të vogla të quajtura kuarke. Ashtu si neutronet, protonet përmbajnë tre kuarkë (dy kuarkë “lart” dhe një kuarkë “poshtë”) që mbahen së bashku brenda një protoni nga Forca e Fortë. Grimcat e bëra nga tre kuarke quhen “barione”, prandaj kur fizikantët i referohen “materies barionike” ata i referohen në mënyrë specifike materies së bërë nga protonet dhe neutronet që përbëjnë atomet që më pas ndërtojnë të gjithë njerëzit, planetët, yjet, galaktikat dhe çdo gjë tjetër që ne mund të shohim dukshëm në universin rreth nesh.

Përgjatë pjesës më të madhe të shekullit të 19-të, mendohej se atomet ishin blloku ndërtues më i vogël dhe më themelor i të gjithë materies, por ndërsa ai shekull po i afrohej fundit, provat se atomet në të vërtetë përbëheshin nga grimca më të vogla filluan të rriteshin. Shkencëtarët filluan të eksperimentojnë me rrezet anodë dhe katodike – këto janë rreze të ngarkuara pozitivisht dhe negativisht të prodhuara nga tubat e shkarkimit të gazit.

Në 1897 J. J. Thomson zbuloi se rrezet katodike janë rryma të grimcave nënatomike elektrike negative të quajtura elektrone, të cilat po çliroheshin nga atomet në tubin e shkarkimit. Përkatësisht, rrezet e anodës duhet të jenë rrjedha jonesh, të cilat janë atome të ngarkuar pozitivisht. Në veçanti, jonet e hidrogjenit u njohën në rrezet e anodës në 1898 nga fizikanti gjerman Wilhelm Wien.

Prandaj, hipoteza e parë e strukturës së atomeve kishte elektrone të ngarkuar negativisht të përhapur përmes një mase ngarkese pozitive të shpërndarë në mënyrë amorfe. Ai u quajt modeli i pudingut të kumbullës, me elektronet që bëheshin analoge me kumbullat e ngulitura në brumë.

Fizikanti britanik Ernest Rutherford ishte i dyshimtë për këtë model. Ndërmjet viteve 1909 dhe 1911 Hans Geiger dhe Ernest Marsden, nën tutelën e Rutherford në Universitetin e Mançesterit, hodhën ato që quheshin grimca alfa – ato që ne i njohim sot si bërthama të heliumit – në një fletë floriri. Në modelin e pudingut të kumbullës, grimcat alfa duhet të kenë kaluar drejt e nëpër atomet e arit, ose të jenë devijuar pak.

Në vend të kësaj, Geiger dhe Marsden zbuluan në eksperimentin e tyre se nganjëherë grimcat alfa devijoheshin në kënde të mëdha, ose madje ktheheshin drejt prapa. Kjo mund të ndodhte vetëm nëse do të kishte një nyjë ngarkese elektrike në qendër të një atomi, në vend që të shpërndahej si në modelin e pudingut të kumbullës. Kjo e bindi Rutherfordin se atomet në fakt përbëheshin nga një bërthamë e vogël, e ngushtë e rrethuar nga hapësira boshe me elektrone që rrotulloheshin rreth bërthamës në një distancë.

Ky model, megjithëse i thjeshtuar sepse nuk përfshin sjelljen mekanike kuantike të elektroneve, quhet modeli i Bohr-it sipas Niels Bohr, i cili së bashku me Rutherford i bashkuan të gjitha pjesët.

Në eksperimentin me gjethe ari, grimcat alfa të devijuara po ndesheshin me këtë bërthamë. Por nga çfarë përbëhej bërthama?

Eksperimente të ndryshme, duke përfshirë disa të kryera nga Rutherford, treguan se bërthamat e hidrogjenit mund të dilnin nga elementë të tjerë, dhe në vitin 1920 Rutherford kishte kuptuar se bërthamat e hidrogjenit duhet të jenë blloku themelor i ndërtimit të të gjitha bërthamave atomike pasi hidrogjeni është elementi më i lehtë. Ai e quajti bërthamën e hidrogjenit një proton, që do të thotë “i pari” në greqisht, sepse Rutherford e pa atë si bllokun e parë ndërtues për të gjithë atomet. Sot e dimë se protonet (dhe neutronet) formohen nga grimca edhe më të vogla, kuarke, dhe se bërthama e një atomi përbëhet nga protone dhe neutrone (me përjashtim të formës bazë të hidrogjenit, i cili nuk ka neutrone).

Një proton ka atë që quhet “ngarkesa elementare”, ose “e” në stenografi. Është njësia bazë e ngarkesës me të cilën maten të gjitha ngarkesat e tjera. Vetëm kuarkët kanë një ngarkesë më të vogël, duke qenë një e treta ose dy të tretat e ngarkesës elementare.

Ngarkesa elementare e protonit është 1,602192 x 10^–19 kulomb (hapet në skedën e re) (C). Kjo është saktësisht e barabartë dhe e kundërta e ngarkesës së një elektroni, e cila është – 1,602192 x 10^-19 kulomb. Për shkak se ngarkesat e tyre janë të barabarta dhe për shkak se bashkëbanuesi tjetër i bërthamës atomike, neutroni, është neutral, atëherë për sa kohë që numri i protoneve dhe elektroneve është i barabartë, ngarkesat e tyre anulohen dhe atomet janë elektrikisht neutrale. Sidoqoftë, hiqni një elektron nga rreth një atomi dhe kjo prish ekuilibrin midis ngarkesave kumulative të elektroneve dhe protoneve, dhe atomi bëhet i ngarkuar pozitivisht – një jon.

Duke qenë se protonet janë grimca nënatomike në zemër të një atomi, prandaj ato janë jashtëzakonisht të vogla, duke matur vetëm qindra triliontat e një metri (10^–15 metra). Robert Hofstadter, i cili ishte një fizikant amerikan që fitoi çmimin Nobel për punën e tij që karakterizonte protonet dhe neutronet, e përshkroi këtë shkallë prej 10^–15 metra si një ‘femtometër’, të quajtur sipas fizikantit të famshëm Enrico Fermi.

Ne mund të krahasojmë shkallën e një femtometri me gjerësinë e një floku të njeriut, e cila është në rajonin e njëqind miliontë, ose 10^–8, të një metri, ose rrezen e një atomi të tërë rreth dhjetë miliarda, ose 10^ – 10, e një metër.

Duke pasur parasysh madhësinë e tyre të vogël, ato kanë gjithashtu një masë të vogël, vetëm 1.673 x 10^–27 kilogramë. Kjo është një mijë trilion trilionta e një kilogrami. Për krahasim, është 1,836 herë më masiv se një elektron (9,1 x 10^–31 kilogramë). Është gjithashtu pak më pak masiv se një neutron (1,674 x 10^–27 kilogramë, ose 1,008 herë më masiv se një proton).

Duke pasur parasysh se hidrogjeni është deri tani elementi (ose molekula) më e zakonshme në univers, dhe meqenëse bërthamat e hidrogjenit janë vetëm protone të vetëm, atëherë mjafton të thuhet se shkenca e protoneve mund të na mësojë shumë për shpërndarjen e materies dhe mekanizmat e dhunshëm që drejtojnë disa nga fenomenet më energjike në kozmos.

Mjegullnajat formuese të yjeve të mbushura me gaz hidrogjeni në hapësirën e thellë shpesh quhen rajone H-II. Ky shënim do të thotë se hidrogjeni është jonizuar nga drita ultravjollcë nga yjet e rinj rreth tij (H-I është hidrogjen atomik neutral; H-II është jonizuar); energjia e fotonit ultravjollcë që absorbon hidrogjeni është e mjaftueshme për të nxjerrë jashtë elektronin. Meqenëse një atom hidrogjeni përbëhet nga vetëm një proton dhe një elektron i vetëm, humbja e elektronit lë vetëm protonin. Kur një proton në mjegullnajë rimarrë një elektron, ai lëshon një foton drite në një gjatësi vale karakteristike prej 656.3 nanometra ,e njohur si emetim H-II.

Protonet janë gjithashtu jetike në thelbin e diellit, ku energjia që manifestohet si drita dhe nxehtësia e diellit gjenerohet nëpërmjet një mekanizmi të njohur si zinxhiri proton-proton. Në thelbin e diellit, temperatura arrin 27 milionë gradë Fahrenheit (15 milionë gradë Celsius) – e mjaftueshme për shkrirjen bërthamore. Në këto temperatura të larta, të gjithë atomet jonizohen, dhe meqenëse dielli është kryesisht hidrogjen, atëherë kjo do të thotë se bërthama e diellit është e mbushur me protone.

Në zinxhirin proton-proton, dy protone që bashkohen në këto kushte në qendër të diellit mund të shkrihen, në proces duke lëshuar një neutrino dhe një pozitron të ngarkuar pozitivisht (i cili është ekuivalenti i antimateries së një elektroni).

Humbja e ngarkesës pozitive e kthen një nga protonet në një neutron neutral, dhe së bashku protoni dhe neutroni formojnë deuterium (një izotop hidrogjeni). Kjo bërthamë e deuteriumit më pas mund të shkrihet me një proton tjetër, duke formuar helium-3 (i përbërë nga dy protone dhe një neutron) dhe duke emetuar energji në procesin që përfundimisht përfundon në sipërfaqen e diellit si rrezatim, të cilin ne e shohim si dritë dhe e ndjejmë. si nxehtësi.

Ndërkohë, bërthama e helium-3 mund të shkrihet me një bërthamë tjetër helium-3 të formuar përmes të njëjtit proces, duke krijuar helium-4 (2 protone, 2 neutrone) dhe duke emetuar dy protone të tjerë. Këto protone të tjerë më pas mund të vazhdojnë të formojnë më shumë helium-3 dhe kështu me radhë në një reaksion zinxhir, duke lëshuar më shumë energji në proces. Dielli përmban bërthama të mjaftueshme hidrogjeni për të vazhduar ta bëjë këtë për 5 miliardë vjet të tjerë.

Era diellore, e cila është një rrjedhë grimcash të ngarkuara që largohen nga atmosfera e diellit, përfshin protone të bollshëm përveç elektroneve dhe bërthamave të ndryshme atomike. Kur era diellore përplaset me një atmosferë planetare si ajo e Tokës, protonet dhe elektronet kalojnë linjat e fushës magnetike poshtë drejt poleve të planetit, duke ndërvepruar dhe jonizuar atomet dhe molekulat në atmosferë. Këto atome dhe molekula më pas shkëlqejnë, duke prodhuar shfaqjet aurore të Dritave Veriore dhe Jugore.

Ndonjëherë, dielli do të shpërthejë në një shpërthim diellor, shpesh duke rezultuar në lëshimin e një nxjerrjeje masive koronale. Këto shpërthime të dhunshme diellore mund të përshpejtojnë protonet në energji të larta. Të tilla “grimca energjike diellore” shtyhen pothuajse në shpejtësinë e dritës ndërsa largohen nga dielli dhe janë një rrezik rrezatimi për astronautët dhe pasagjerët në avionët e lartë.

Ka gjithashtu protone me energji të lartë (dhe grimca alfa) që vijnë nga përtej sistemit tonë diellor. Këto “rreze kozmike” mbushin një grusht, duke udhëtuar pak më pak se shpejtësia e dritës, por origjina e tyre mbetet një mister hutues. Me sa duket, ato përshpejtohen nga fusha të fuqishme magnetike dhe të dyshuarit kryesorë përfshijnë bërthamat aktive galaktike dhe mjediset e vrimave të zeza që ato përmbajnë. Përndryshe, mbetjet e supernovës dhe rajonet e dendura të formimit të yjeve janë propozuar gjithashtu si pika të origjinës për këto plumba të grimcave që dërgohen në rrugën tonë.