Lähdekoodi sivulle Protoni

{{Tämä artikkeli|käsittelee hiukkasta. [[Protoni (yhtye)|Protoni]] on myös suomalainen rockyhtye.}}
{{Hiukkanen
| nimi                    = Protoni
| kuva                    = Proton quark structure.svg | leveys = 250px
| kuvateksti              = Kaavakuva protonin [[kvarkki]]rakenteesta
| luokitus                = [[Baryoni]]
| rakenne                 = 2 [[u-kvarkki]]a ja<br/>1 [[d-kvarkki]]
| perhe                   = [[Fermioni]]
| ryhmä                   = [[Hadroni]]
| vuorovaikutus           = [[Painovoima]]<br/>[[Sähkömagneettinen vuorovaikutus|Sähkömagneettinen]]<br/>[[Heikko vuorovaikutus|Heikko vuorovaikutus]]<br/>[[Vahva vuorovaikutus|Vahva vuorovaikutus]]
| antihiukkanen           = [[Antiprotoni]] p<sup>−</sup>
| löydetty teoreettisesti = [[William Prout]] (1815)
| löydetty                = [[Ernest Rutherford]] (1919)
| symboli                 = p, p<sup>+</sup>
| massa                   = 1,672&nbsp;621&nbsp;64&nbsp;×&nbsp;10<sup>−27</sup>&nbsp;[[kilogramma|kg]]<br/>938,272&nbsp;013&nbsp;[[Elektronivoltti|MeV/c<sup>2</sup>]]<br/>1,007&nbsp;276&nbsp;467&nbsp;[[Atomimassayksikkö|u]]<ref name=Constants/>
| elinaika                = Kts. ''[[Protoni#Hajoaminen|hajoaminen]]''
| sähkövaraus             = +1 [[Alkeisvaraus|''e'']]
| spin                    = ½
}}
'''Protoni''' (tunnus p tai p<sup>+</sup>) on [[subatomiset hiukkaset|subatominen hiukkanen]], jonka [[sähkövaraus]] on +1 [[Alkeisvaraus|''e'']] eli positiivinen alkeisvaraus ja [[massa]] noin yhden [[atomimassayksikkö|atomimassayksikön]] verran. Protonit muodostavat [[atomiydin|atomiytimet]] yhdessä sähkövarauksettomien [[neutroni|neutronien]] kanssa. [[Alkuaine]]en [[järjestysluku (kemia)|järjestysluku]] määräytyy sen ytimessä olevien protonien lukumäärän mukaan: esimerkiksi [[vety|vedyn]], jonka ytimessä on vain yksi protoni, järjestysluku on 1. Joskus protoneita ja neutroneita kutsutaan myös yhteisnimityksellä [[nukleoni]]t.

Protoni on sähkövaraukseltaan yhtä suuri, mutta vastakkaismerkkinen kuin [[elektroni]], minkä seurauksena positiivisesti varautunut atomiydin pyrkii keräämään ympärilleen [[elektroni]]verhon, jossa on täsmälleen yhtä monta elektronia kuin ytimessä on protoneja. Tässä tilassa elektronipilven negatiivinen varaus kumoaa ytimen positiivisen varauksen, ja [[atomi]]t ovat ulkoisesti varauksettomia.

[[Hiukkasfysiikan standardimalli]]ssa protoni on [[hadroni]], joka koostuu [[vahva vuorovaikutus|vahvan vuorovaikutuksen]] yhteen sitomista [[kvarkki|kvarkeista]]. Se koostuu yksinkertaistetusti ilmaisten kahdesta [[u-kvarkki|u-kvarkista]] ja yhdestä [[d-kvarkki|d-kvarkista]]. Näiden hiukkasten [[lepomassa]] muodostaa noin 1 % protonin kokonaismassasta. Loppu massasta muodostuu kvarkkien [[liike-energia]]sta ja ne yhteen sitovien gluonikenttien energioista. Protonin [[antihiukkanen]] on [[antiprotoni]], joka koostuu kahdesta u-antikvarkista ja yhdestä d-antikvarkista.<ref name=":0">{{Verkkoviite | Osoite = http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/largehadroncolliderfaq/whats-a-proton-anyway/ | Nimeke = What’s a Proton, Anyway? | Julkaisu = Of Particular Significance | Tekijä = Strassler, Matt | Ajankohta = 2011 | Viitattu = 7.7.2013 | Kieli = {{en}} }}</ref>

== Ominaisuudet ==
Protonit ovat [[hadroni|hadroneja]], joiden [[spin]] on ½ ja sähkövaraus +1 ''e''. Ne koostuvat kolmesta kvarkista, mikä tekee niistä [[baryoni|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.<ref name=":0" /> Protonin [[Säde (geometria)|säde]] on 0,84 [[femto]]metriä.<ref>{{Lehtiviite|Julkaisu=Science|Ajankohta=2020-11-27|Otsikko=Crisis and catharsis in atomic physics|Tekijä=Ubachs, Wim|Vuosikerta=370|Numero=6520|Sivut=1033|Doi=10.1126/science.abf0589|Kieli={{en}}}}</ref>

=== Hajoaminen ===
{{Pääartikkeli|[[Protonin hajoaminen]]}}
Protonin hajoammista kevyemmiksi [[alkeishiukkanen|alkeishiukkasiksi]] ei ole toistaiseksi havaittu kokeellisesti, joten sitä pidetään standardimallissa vakaana hiukkasena. Joissakin standardimallin seuraajiksi ehdotetuissa [[suuri yhtenäisteoria|suurissa yhtenäisteorioissa]] protonin hajoaminen on kuitenkin mahdollista.<ref name=HP/>

Jotkut suuret yhtenäisteoriat ennustavat protonin hajoamista esimerkiksi neutraaliksi [[pioni (fysiikka)|pioniksi]] ja [[positroni]]ksi. Pioni hajoaisi tämän jälkeen lähes välittömästi kahdeksi [[fotoni]]ksi. Prosessin kokeellinen tutkimus on kuitenkin hyvin vaikeaa, sillä protonin [[puoliintumisaika|puoliintumisajan]] alarajaksi sen kautta arvioitiin 90&nbsp;% todennäköisyydellä 8,2&nbsp;×&nbsp;10<sup>33</sup> vuotta.<ref name=SKC/>
:<span style="font-size:110%">p<sup>+</sup>&nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp;[[positroni|e<sup>+</sup>]] + [[pioni (fysiikka)|π<sup>0</sup>]]</span>
Toinen teoreettinen protonin hajoamisprosessi on hajoaminen [[myoni]]ksi ja pioniksi. Arvioitu puoliintumisajan alaraja 90&nbsp;% varmuudella on 6,6&nbsp;×&nbsp;10<sup>33</sup> vuotta.<ref name=SKC/>
:<span style="font-size:110%">p<sup>+</sup>&nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp;[[positroni|μ<sup>+</sup>]] + [[pioni (fysiikka)|π<sup>0</sup>]]</span>

===Massa===
Vuonna 2018 julkaistun tutkimuksen mukaan vain yhdeksän prosenttia protonin massasta on [[kvarkki|kvarkeista]]. Loppuosa massasta koostuu massan ja energian ekvivalenssiperiaatteen mukaisesti kvarkkien liikkeestä protonin sisällä (32&nbsp;%), [[gluoni]]en energiasta (36&nbsp;%) ja vuorovaikutuksista gluonien ja kvarkkien välillä (23&nbsp;%). <ref>https://www.sciencenews.org/article/proton-mass-quarks-calculation</ref>

== Protoni kemiassa ==
[[Kuva:Spinning proton.svg|thumb|250px|right|Protoni, jolla on spinistä aiheutunut liikemäärämomentti <math>\mathbf{P}</math> sekä magneettinen momentti <math>\mathbf{u}</math>.]]

=== Alkuaineiden järjestysluvut ===
Atomin ytimessä olevien protonien määrää kutsutaan [[alkuaine]]en [[järjestysluku (kemia)|järjestysluvuksi]].<ref name=Alkuaineet/> Neutronien määrä puolestaan voi vaihdella samassa alkuaineessa, jolloin puhutaan alkuaineen [[isotooppi|isotoopeista]]. Protonien ja neutronien yhteenlaskettua määrää atomin ytimessä puolestaan kutsutaan atomin [[massaluku|massaluvuksi]], joka siis vaihtelee samankin alkuaineen eri isotoopeilla. 

Esimerkiksi [[happi|hapen]] järjestysluku on 8, koska sen ytimessä on kahdeksan protonia. [[Vety|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 ===
Kemiassa protonilla tarkoitetaan yleensä vety[[ioni]]a (H<sup>+</sup>), joka syntyy, kun [[vety|vedyn]] tavallisimman [[isotooppi|isotoopin]] atomi menettää ainoan elektroninsa, ja jäljelle jää vain yhdestä protonista koostuva [[atomiydin]]. Tällaisia vapaita vetyioneja eli protoneja ei normaaleissa olosuhteissa esiinny [[liuos|liuoksissa]], mutta [[happo|hapon]] ja [[emäs|emäksen]] reagoidessa keskenään siirtyy yksi protoni [[molekyyli]]stä tai [[kompleksi-ioni]]sta toiseen. Hapot ovat protonin luovuttajia, emäkset vastaanottajia. Esimerkiksi vesiliuoksissa hapot luovuttavat protonin vesimolekyylille, joka tällöin muuttuu [[oksonium]]ioniksi (H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>). Hapon ja emäksen [[neutraloituminen]] vesiliuoksessa tapahtuu niin, että oksoniumioni luovuttaa protonin [[hydroksidi]]-ionille, jolloin molemmat muuttuvat vesimolekyyleiksi seuraavasti:

H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> + OH<sup>-</sup> ⇒ 2 H<sub>2</sub>O.

== Antihiukkanen ==
{{Pääartikkeli|[[Antiprotoni]]}}
Protonilla on vastaava antihiukkanen, kahdesta [[u-kvarkki|u-antikvarkista]] ja yhdestä [[d-kvarkki|d-antikvarkista]] koostuva [[antiprotoni]]. Protonin ja antiprotonin massojen erotuksen tulisi vastata tismalleen nollaa, minkä on todettu pitävän paikkaansa kuuden miljardisosan tarkkuudella.<ref>{{Verkkoviite
| osoite = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387380606001163 | nimeke = Antiproton mass measurements | tekijä = G. Gabrielse | julkaisu = International Journal of Mass Spectrometry | ajankohta = 2006 | viitattu = 7.1.2013 | kieli = {{en}} }}</ref> Protonin ja antiprotonin kohdatessa hiukkaset [[annihilaatio|annihiloivat]] toisensa.

== Löytöhistoria ==
Eri alkuaineiden suhteelliset [[atomipaino]]t pystyttiin mittaamaan jo 1800-luvun alussa. Tällöin osoittautui, että useimpien alkuaineiden atomipainot olivat likipitäen [[vety|vedyn]] atomipainon monikertoja, toisin sanoen, jos yksikkönä käytetään vedyn atomipainoa, muidenkin alkuaineiden atomipainot ovat hyvin lähellä [[kokonaisluku]]ja.<ref name=LukFys>{{kirjaviite | Tekijä = K. V. Laurikainen, Uuno Nurmi, Rold Qvickström, Erkki Rosenberg, Matti Tiilikainen | Nimeke = Lukion fysiikka 3 | Sivu = 85 | Julkaisija = WSOY | Vuosi = 1974 | Tunniste = | Isbn = 951-0-06318-5}}</ref>. 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.<ref name=LukFys /><ref name=Fokus>{{kirjaviite | Nimeke = Otavan iso Fokus, 5. osa (Mo–Qv) | Sivu = 3285, art. Prout, William | Julkaisija = Otava | Vuosi = 1973 | Tunniste = | Isbn = 951-1-01070-0}}</ref>  Tämä käsitys tuli tunnetuksi [[Proutin hypoteesi]]na. Se kuitenkin menetti uskottavuutensa, kun atomipainot saatiin mitatuiksi entistä tarkemmin ja lisäksi todettiin, että muutamien alkuaineiden, esimerkiksi [[kloori]]n, atomipainot eivät olleet lähelläkään kokonaislukuja.

Vuonna 1886 [[Eugen Goldstein]] löysi [[kanavasäteet]], jotka tunnettiin myös anodisäteinä, ja osoitti niiden koostuvan positiivisista [[ioni|ioneista]]. Samoihin aikoihin löydettiin myös [[katodisäde|katodisäteet]]. [[J. J. Thomson]] osoitti, että katodisäteillä niiden [[sähkövaraus|varauksen]] ja massan suhde on aina sama, mikä johti [[elektroni]]n 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 jaksollinen järjestelmä|Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän]] keksi [[Mendelejev]] 1870-luvulla. Alun perin alkuaineet järjestettiin siinä atomipainon mukaan. Sen jälkeen kun [[Ernest Rutherford]] vuonna 1911 löysi [[atomiydin|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 [[röntgensäteily|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.<ref>{{kirjaviite | Tekijä = R.H. Petrucci, W.S. Harwood, and F.G. Herring | Nimeke =  General Chemistry (8th ed.) | Sivu = 41 | Vuosi = 2002 }}</ref> Jo aikaisemmin hän oli saanut muodostetuksi paljaita vety-ytimiä antamalla [[alfasäteily]]n vaikuttaa vetykaasuun, ja ne voitiin tunnistaa [[tuikeilmaisin|tuikeilmaisimilla]]. Rutherford havaitsi, että sellaisia syntyi myös alfasäteilyn vaikuttaessa [[ilma]]an ja vielä enemmän, jos sen annetaan kulkea puhtaan [[typpi]]kaasun läpi. Koska typpiytimestä saattoi irrota vety-ytimen kaltainen hiukkanen, täytyi tämän olla typpiytimen rakenneosana. Lisäksi voitiin todeta, että kokeessa syntyi [[happi|happea]]. Rutherford oli siis saanut aikaan ensimmäisen keinotekoisen [[ydinreaktio]]n, jota voidaan kuvata seuraavasti: 

* 14N + α → 17O + p

tai

* <sup>14</sup><sub>7</sub>N + <sup>4</sup><sub>2</sub>He → <sup>17</sup><sub>16</sub>8O + <sup>1</sup><sub>1</sub>H<ref>Lukion fysiikka, s. 102</ref>

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'' ({{k-en|proton}}), joka johtui [[kreikan kieli|kreikan kielen]] ''ensimmäistä'' tarkoittavasta sanasta πρῶτον (''proton''). Hänellä oli tällöin mielessään myös Proutin käyttämä termi ''protyli''. [[British Association for the Advancement of Science]]n kokouksessa [[Cardiff]]issä 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.{{käännös|:en:Proton}}

== Katso myös ==
*[[Protoni-protoni-ketju]]

== Lähteet ==
{{Viitteet|sarakkeet|viitteet =

<ref name=Constants>{{Verkkoviite | osoite = http://arxiv.org/abs/0801.0028 | nimike = CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 | tekijä = Mohr, Peter; Taylor, Barry & Newell, David | ajankohta = 2006 | julkaisu = Reviews of Modern Physics | kieli = {{en}} | viitattu = 6.6.2014 }}</ref>

<ref name=Alkuaineet>{{Kirjaviite | Tekijä = Hamilo, Marko; Niinistö, Lauri; Paukku, Timo; Mannila, Johanna ja Björkholm, Susanne | Nimike = Alkuaineet | Sivu = 1 | Julkaisija = Helsingin Sanomat | Vuosi = 2007 | Tunniste = | Isbn = 978-952-5557-16-9}}</ref>

<ref name=HP>{{Verkkoviite | nimeke = Proton Decay | osoite = http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/proton.html#c2 | julkaisija = HyperPhysics | viitattu = 29.9.2014 | kieli = {{en}} }}</ref>

<ref name=SKC>{{Verkkoviite | nimeke = Search for Proton Decay via p→e+π0 and p→μ+π0 in a Large Water Cherenkov Detector | osoite = http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.102.141801 | tekijä = Nishino ''et al''. | julkaisija = Super-Kamiokande Collaboration | ajankohta = 8.4.2009 | viitattu = 29.9.2014 | kieli = {{en}} }}</ref>

}}

== Aiheesta muualla ==
{{Commonscat|Proton|protoni}}
*[http://pdg.lbl.gov Particle Data Group] – The Review of Particle Physics {{en}}

{{Hiukkaset}}
[[Luokka:Baryonit]]
[[Luokka:Kationit]]
[[Luokka:Vety]]
[[Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit]]