پروتون ها در هسته اتم

پروتون یک ذره زیر اتمی با بار الکتریکی مثبت است. آنها در هر هسته اتمی هر عنصر یافت می شوند.

تقریباً در هر عنصری، پروتون ها با نوترون همراه هستند . تنها استثنا هسته ساده ترین عنصر یعنی هیدروژن است. هیدروژن فقط یک پروتون دارد و نوترون ندارد.

تعداد پروتون های یک اتم عدد اتمی آن را در جدول تناوبی عناصر تعیین می کند. تعداد پروتون‌ها به اضافه تعداد نوترون‌ها در یک هسته، «عدد باریون» عنصر را تعیین می‌کند که تقریباً برابر با جرم اتمی آن عنصر است. جرم پروتون ها کمی کمتر از نوترون هاست به همین دلیل است که اعداد جرمی اتمی اعداد کامل نیستند. به عنوان مثال، کربن دارای شش پروتون و شش نوترون برای جرم اتمی 12.011 “واحد جرم اتمی” است.

از آنجایی که آنها بخشی از هسته هستند، دانشمندان گاهی از پروتون ها و نوترون ها به عنوان نوکلئون یاد می کنند . دانشمندان همچنین از پروتون ها و نوترون ها به عنوان هادرون یاد می کنند . هادرون اصطلاحی برای ذره زیراتمی مرکب است – ذره ای که از ذرات حتی کوچکتر تشکیل شده است. به طور خاص، هادرون ها از دو یا چند کوارک ساخته شده اند که توسط نیروی برهم کنش قوی، یکی از نیروهای بنیادی در جهان، به هم متصل شده اند. پروتون ها حاوی دو کوارک بالا و یک کوارک پایین هستند، در حالی که نوترون ها حاوی یک کوارک بالا و دو کوارک پایین هستند. این کوارک‌ها کوارک‌های ظرفیتی نامیده می‌شوند تا در مقابل کوارک‌های دریایی قرار بگیرند که دائماً در داخل پروتون‌ها و نوترون‌ها وارد و خارج می‌شوند.

برخلاف نوترون ها، پروتون ها پایدار هستند. منظور دانشمندان از پایداری این است که پروتون‌های آزاد – پروتون‌هایی که به نوترون‌های هسته متصل نیستند – به خودی خود تجزیه یا واپاشی نمی‌شوند. این با نوترون ها که از ذرات کوچک تری نیز تشکیل شده اند اما به دلیل واپاشی رادیواکتیو تجزیه می شوند متفاوت است . در واقع، پروتون ها تنها نوع پایدار ذرات زیراتمی هستند که از ذرات حتی کوچکتر ساخته شده اند.

چرا پروتون ها با وجود داشتن بار مثبت که همدیگر را می رانند در هسته اتم در کنار یکدیگر می مانند؟

پروتون ها در یک هسته توسط نیروی هسته ای قوی که یکی از چهار نیروی اساسی در طبیعت است، کنار هم نگه داشته می شوند. این نیرو بسیار قوی تر از نیروی الکترومغناطیسی است که باعث می شود پروتون ها به دلیل بارهای مثبت یکدیگر را دفع کنند. در اینجا نحوه ی ماندن پروتون ها در یک هسته را بررسی می کنیم:

غلبه بر دافعه الکترواستاتیک:
– پروتون ها در یک هسته به دلیل بارهای مثبت خود، نیروی الکترواستاتیک دافعه قوی را تجربه می کنند. این نیرو تمایل دارد آنها را از هم جدا کند.

نیروی هسته ای قوی:
– با این حال، نیروی هسته ای قوی یک نیروی جاذبه قوی است که بین پروتون ها و نوترون های درون یک هسته عمل می کند. این نیرو بسیار قویتر از دافعه الکترواستاتیکی در فواصل کوتاه (کمتر از حدود 2.5 فمتومتر) است.

ماهیت کوتاه برد نیروی قوی:
– نیروی هسته ای قوی یک نیروی کوتاه برد است، یعنی فقط در فواصل بسیار کوچک عمل می کند. این بدان معناست که پروتون ها باید بسیار نزدیک به هم باشند تا نیروی قوی بر دافعه الکترواستاتیکی غلبه کند.

سهم نوترون:
– نوترون ها که در بیشتر هسته ها نیز وجود دارند به پایداری کلی هسته کمک می کنند. نوترون ها بار الکتریکی ندارند، بنابراین دافعه الکترواستاتیکی را تجربه نمی کنند. در عوض، آنها از طریق نیروی هسته ای قوی برهم کنش می کنند و به نیروهای جاذبه درون هسته می افزایند.

انرژی اتصال هسته ای:
– اثر خالص نیروی هسته ای قوی که بر دافعه الکترواستاتیکی غلبه می کند منجر به تشکیل یک هسته پایدار می شود. انرژی لازم برای جداسازی تمام پروتون‌ها و نوترون‌های یک هسته، انرژی اتصال هسته‌ای نامیده می‌شود. هر چه انرژی اتصال قوی تر باشد، هسته پایدارتر است.

اثرات کوانتومی:
– مکانیک کوانتومی نیز در پایداری هسته ها نقش دارد. پروتون ها و نوترون ها می توانند سطوح انرژی خاصی را در هسته اشغال کنند، مشابه الکترون ها در اتم ها. این آرایش می تواند بیشتر به پایداری کلی هسته کمک کند.

نتیجه:
پروتون های موجود در یک هسته علیرغم دافعه الکترواستاتیکی به دلیل نیروی هسته ای قوی قادرند کنار هم بمانند. این نیرو کوتاه برد و بسیار قوی تر از نیروی الکترومغناطیسی در فواصل مربوط به هسته است. وجود نوترون ها و اثرات مکانیک کوانتومی نیز به پایداری هسته ها کمک می کند. درک تأثیر متقابل این نیروها در فیزیک هسته ای بسیار مهم است و در زمینه هایی مانند انرژی هسته ای و پزشکی کاربرد دارد.

سرچشمه ها:

https://www.energy.gov/science/doe-explainsprotons

https://sites.uci.edu/energyobserver/2013/08/19/where-our-mass-comes-from/

The Four Fundamental Forces of Nature