โปรตอน

ปริมาณควาร์กวาเลนซ์ของโปรตอนการกำหนดสีให้กับควาร์กแต่ละตัวนั้นเป็นไปโดยพลการ แต่ต้องมีครบทั้งสามสี แรงระหว่างควาร์กนั้นถูกถ่ายทอดผ่านกลูออน
การจำแนกประเภท	บาริออน
องค์ประกอบ	ควาร์กอัพ (u) 2 ตัว, ควาร์กดาวน์ (d) 1 ตัว
สถิติ	เฟอร์มิออนิก
ตระกูล	แฮดรอน
ปฏิสัมพันธ์	แรงโน้มถ่วง , แม่เหล็กไฟฟ้า , อ่อน , แรง
เครื่องหมาย	พีพี​+, N+,1 1ชม+
อนุภาคปฏิปักษ์	แอนติโปรตอน
ตั้งทฤษฎี	วิลเลียม พราวด์ (1815)
ค้นพบ	ยูจีน โกลด์สไตน์ (1886) สังเกต เห็นไอออน H + เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1917–1920) ระบุไอออนนี้ในนิวเคลียสอื่นๆ (และตั้งชื่อ)
มวล	1.672 621 925 95 (52) × 10 −27  กก. ‍ [1 ]1.007 276 466 5789 (83) ดา‍ [2 ]938.272 089 43 (29)  MeV/ ค2 ‍ [3 ]
อายุขัยเฉลี่ย	>0.96 × 10 30  ปี[ 4 ] (เสถียร)
ประจุไฟฟ้า	+1  e
รัศมีประจุ	0.840 75 (64)  fm [ 5 ]
โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า	<2.1 × 10 −25  e ⋅cm [ 6 ]
สภาพขั้วไฟฟ้า	0.001 12 (4) fm 3
โมเมนต์แม่เหล็ก	1.410 606 795 45 (60) × 10 −26  J⋅T −1 ‍ [7 ]0.001 521 032 202 30 (45)  ไมโครบี[ 8 ]2.792 847 344 63 (82)  ไมโครนิวตัน[ 9 ]
ความสามารถในการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก	1.9(5) × 10 −4  fm 3
สปิน	⁠1/2⁠  ħ
ไอโซสปิน	⁠1/2⁠
ความเท่าเทียมกัน	+1
ย่อ	I ( J P ) = ⁠1/2( ⁠​1/2+ )​

โปรตอนเป็นอนุภาคย่อยของอะตอมที่ มีเสถียรภาพ สัญลักษณ์คือp , H ⁺หรือ^{1H +} มีประจุไฟฟ้าบวก+  1e ( ประจุพื้นฐาน ) มวล ของโปรตอนน้อยกว่ามวลของนิวตรอน เล็กน้อย และโดยประมาณโปรตอนมีมวลเป็น 1836เท่าของมวลอิเล็กตรอน ( อัตราส่วนมวลของโปรตอนต่ออิเล็กตรอน ) โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวมีมวลประมาณหนึ่งดาลตันเรียกรวมกันว่านิวคลีออน (อนุภาคที่อยู่ในนิวเคลียสของอะตอม)

ใน นิวเคลียสของอะตอมทุกอะตอมจะมีโปรตอนอย่างน้อยหนึ่งตัว โปรตอนเหล่านี้เป็นแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตที่ยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนของอะตอมไว้ จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเป็นคุณสมบัติที่กำหนดลักษณะของธาตุ และเรียกว่าเลขอะตอม (แทนด้วยสัญลักษณ์Z ) เนื่องจากแต่ละธาตุถูกระบุด้วยจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ดังนั้นแต่ละธาตุจึงมีเลขอะตอมของตัวเอง ซึ่งเป็นตัวกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนของอะตอม และส่งผลต่อเอกลักษณ์และคุณสมบัติทางเคมีของธาตุนั้น

คำว่าโปรตอนมาจากภาษากรีกแปลว่า "แรก" และชื่อนี้ถูกตั้งให้กับนิวเคลียสของไฮโดรเจนโดยเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดในปี พ.ศ. 2463 ก่อนหน้านั้น รัทเทอร์ฟอร์ดได้ค้นพบว่า นิวเคลียสของ ไฮโดรเจน (ซึ่งเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นนิวเคลียสที่เบาที่สุด) สามารถสกัดได้จากนิวเคลียสของไนโตรเจนโดยการชนกันของอะตอม^{[ 10 ]}ดังนั้นโปรตอนจึงเป็นตัวเลือกหนึ่งที่จะเป็นอนุภาคพื้นฐานหรืออนุภาคเริ่มต้นและด้วยเหตุนี้จึงเป็นหน่วยสร้างของไนโตรเจนและนิวเคลียสอะตอมที่หนักกว่าอื่นๆ ทั้งหมด

แม้ว่าเดิมทีโปรตอนจะถูกพิจารณาว่าเป็นอนุภาคพื้นฐาน แต่ในแบบจำลองมาตรฐาน สมัยใหม่ ของฟิสิกส์อนุภาคโปรตอนเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นอนุภาคประกอบ ซึ่งประกอบด้วยควาร์กวาเลนซ์ สามตัว และเมื่อรวมกับนิวตรอนแล้วจึงถูกจัดประเภทเป็นแฮดรอนโปรตอนประกอบด้วยควาร์กอัพ สองตัว ที่มีประจุ+2/3eแต่ละตัว และควาร์กดาวน์ หนึ่ง ตัวที่มีประจุ−1/3มวลนิ่งของควาร์กมีส่วนช่วยเพียงประมาณ 1% ของมวลของโปรตอน^[ 11 ^]มวลที่เหลือของโปรตอนเกิดจาก พลังงาน ^{ยึดเหนี่ยว}ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ซึ่งรวมถึงพลังงานจลน์ของควาร์กและพลังงานของ สนาม กลูออนที่ยึดควาร์กเข้าด้วยกัน รัศมีประจุของโปรตอนอยู่ที่ประมาณ0.841  fmแต่การวัดสองแบบที่แตกต่างกันจะให้ค่าที่แตกต่างกันเล็กน้อย^{[ 12 ]}

ที่อุณหภูมิและพลังงานจลน์ต่ำเพียงพอ โปรตอนอิสระจะดึงดูดอิเล็กตรอนในสสารใดๆ ที่มันเคลื่อนที่ผ่าน

โปรตอนอิสระถูกนำมาใช้เป็นประจำในเครื่องเร่งอนุภาคสำหรับการบำบัดด้วยโปรตอนหรือการทดลองฟิสิกส์อนุภาคต่างๆ โดยตัวอย่างที่ทรงพลังที่สุดคือเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider )

โปรตอนมีสปิน-1/2เฟอร์มิออนและประกอบด้วยควาร์กวาเลนซ์สามตัว ^{[ 13 ]}ทำให้พวกมันเป็นแบริออน (ชนิดย่อยของแฮดรอน ) ควาร์กอัพสองตัวและควาร์กดาวน์ หนึ่งตัว ของโปรตอนยึดติดกันด้วยแรงที่แข็งแกร่งโดยมีกลูออนเป็น ^{ตัวกลาง [ 14 ] : 21–22} มุมมองสมัยใหม่มองว่าโปรตอนประกอบด้วยควาร์กวาเลนซ์ (อัพ อัพ ดาวน์) กลูออน และคู่ควาร์กทะเล ชั่วคราว โปรตอนมีการกระจายประจุบวก ซึ่งสลายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลโดยประมาณ โดยมี รัศมีประจุรากกำลังสองเฉลี่ยประมาณ 0.8 fm ^{[ 15 ]}

โปรตอนและนิวตรอนต่างก็เป็นนิวคลีออนซึ่งสามารถยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงนิวเคลียร์เพื่อสร้างนิวเคลียสของอะตอมได้ นิวเคลียสของ ไอโซโทปที่พบมากที่สุดของอะตอมไฮโดรเจน (มีสัญลักษณ์ทางเคมีว่า "H") คือโปรตอนเพียงตัวเดียว นิวเคลียสของไอโซโทปไฮโดรเจนหนักอย่างดิวเทอเรียมและทริเทียมประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวที่ยึดติดกับนิวตรอนหนึ่งตัวและสองตัวตามลำดับ นิวเคลียสของอะตอมประเภทอื่นๆ ทั้งหมดประกอบด้วยโปรตอนสองตัวขึ้นไปและนิวตรอนจำนวนต่างๆ กัน

แนวคิดเรื่องอนุภาคคล้ายไฮโดรเจนที่เป็นส่วนประกอบของอะตอมอื่นๆ ได้รับการพัฒนามาเป็นเวลานาน ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1815 วิลเลียม พราวด์ได้ใช้ค่าน้ำหนักอะตอม ในยุคแรกๆ เพื่อคิดค้นสิ่งที่นักวิจัยรุ่นหลังเรียกว่าสมมติฐานของพราวด์ นั่นคือ อะตอมทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจนในจำนวนเต็ม (ซึ่งเขาเรียกว่า "โปรตีล") เมื่อมีการวัดค่าน้ำหนักอะตอมที่แม่นยำมากขึ้น ความสัมพันธ์แบบจำนวนเต็มก็ล้มเหลว อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้ยังคงดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์และในที่สุดก็จะปรากฏขึ้นอีกครั้งในอีกหนึ่งศตวรรษต่อมา^{[ 16 ] : 39–42}

ในปี พ.ศ. 2429 Eugen Goldsteinค้นพบรังสีคลอง (หรือที่รู้จักกันในชื่อรังสีแอโนด) ที่ออกมาจากรูพรุนในหลอดปล่อยประจุWilhelm Wienในปี พ.ศ. 2441 แสดงให้เห็นว่ารังสีเหล่านี้มีประจุตรงข้ามกับอิเล็กตรอน ลบที่ JJ Thomsonค้นพบแต่มีอัตราส่วนมวลต่อประจุที่สูงกว่ามาก^{[ 17 ] ต่อมาในปี เดียวกัน} Thomson สามารถกำหนดค่าสำหรับขนาดของประจุไฟฟ้าe [ 18 ^{] : 86} และแสดงให้เห็นว่ารังสีคลองประกอบด้วยวัสดุที่มีอัตราส่วนประจุต่อมวล ( q / m ) ที่สอดคล้องกับไอออนไฮโดรเจน^{[ 19 ] : 406}

หลังจากการค้นพบนิวเคลียสของอะตอมโดยErnest Rutherfordในปี 1913 Antonius van den Broekได้เสนอว่าตำแหน่งของแต่ละธาตุในตารางธาตุ (เลขอะตอม) เท่ากับประจุของนิวเคลียส Van den Broek คาดการณ์ว่านิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคอัลฟาที่มีประจุบวกสี่ตัวและอิเล็กตรอนสองตัว ซึ่งเป็นสมมติฐานนิวเคลียส-อิเล็กตรอน เวอร์ชันแรก (แบบจำลองสมัยใหม่ของโปรตอนบวกสองตัวและ นิวตรอนสองตัวต้องใช้เวลาหลายปีกว่าจะค้นพบ) ^{[ 20 ] : 20} ในปี 1913 เช่นกันNiels Bohrได้นำเสนอทฤษฎีโครงสร้างอะตอมซึ่งทำนายการเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับประจุของนิวเคลียส สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองโดยHenry Moseleyในปี 1913 เมื่อเขาแสดงให้เห็นว่าพลังงานของ เส้น สเปกตรัมรังสีเอกซ์ ของธาตุหลายชนิดเป็นไปตามรูป แบบ ตามเลขอะตอม

ในปี พ.ศ. 2462 หลังจากการทดลองที่ไม่ต่อเนื่องหลายครั้งซึ่งถูกขัดจังหวะโดยสงครามโลกครั้งที่ 1 รัทเทอร์ฟอร์ดได้ค้นพบสิ่งที่เขาเรียกว่าการสลายตัวเทียมของ อะตอม ไนโตรเจนโดยใช้อนุภาคอัลฟาจากเรเดียมพุ่งชนอากาศ รัทเทอร์ฟอร์ดตรวจพบการเรืองแสงบน หน้าจอ ซิงค์ซัลไฟ ด์ ในระยะทางสูงสุด 28 ซม. ซึ่งไกลเกินกว่าระยะการเดินทางของอนุภาคอัลฟา แต่กลับสอดคล้องกับระยะการเดินทางของอะตอมไฮโดรเจน^{[ 21 ]}ในปี พ.ศ. 2463 เขาได้สรุปว่านิวเคลียสไฮโดรเจนเหล่านี้เป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสไนโตรเจน ผลลัพธ์นี้ได้รับการอธิบายว่าเป็นการค้นพบโปรตอน^{[ 22 ]}

เมื่อรัทเทอร์ฟอร์ดบรรยายผลลัพธ์ของเขาที่สมาคมวิทยาศาสตร์แห่งอังกฤษ ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2463 โอลิเวอร์ ลอดจ์ได้ขอให้เขาตั้งชื่อใหม่ให้กับนิวเคลียสไฮโดรเจนบวกเพื่อหลีกเลี่ยงความสับสนกับอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลาง^{[ 23 ]}รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอชื่อโปรตอน (คำเอกพจน์เพศกลางของคำภาษากรีกที่แปลว่า "แรก" πρῶτον ) และพรูตอน (ตามชื่อของพรูท) ในตอนแรก ^{[ 24 ]}ต่อมารัทเทอร์ฟอร์ดรายงานว่าที่ประชุมยอมรับข้อเสนอของเขาที่จะตั้งชื่อนิวเคลียสไฮโดรเจนว่า "โปรตอน" ตามคำว่า "โปรไทล์" ของพรูท^{[ 25 ]}การใช้คำว่า "โปรตอน" ครั้งแรกในเอกสารทางวิทยาศาสตร์ปรากฏขึ้นในปี พ.ศ. 2463 ^{[ 26 ] [ 18 ] [ 20 ] : 23}

ในตอนแรก รัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่าอนุภาคอัลฟาเพียงแค่ทำให้โปรตอนหลุดออกจากไนโตรเจน ทำให้มันกลายเป็นคาร์บอน ภาพจากห้องเมฆของ แพทริก แบล็กเก็ตต์ในปี 1925 แสดงให้เห็นว่าอนุภาคอัลฟาถูกดูดซับ หากอนุภาคอัลฟาไม่ถูกดูดซับ จะคาดว่าจะมีอนุภาคที่มีประจุ 3 อนุภาค ได้แก่ คาร์บอนที่มีประจุลบ โปรตอน และอนุภาคอัลฟา อนุภาคที่มีประจุ 3 อนุภาคจะสร้างร่องรอย 3 ร่องรอยในห้องเมฆ แต่สังเกตเห็นเพียง 2 ร่องรอยในห้องเมฆ แบล็กเก็ตต์เสนอว่าอนุภาคอัลฟาถูกดูดซับโดยอะตอมของไนโตรเจนผลิตภัณฑ์คือ ออกซิเจนหนัก ( ^{17O ) ไม่ใช่คาร์บอน [ 27 ] [ 20 ]}นี่เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รายงานครั้งแรก14N + ^α → ^17O + p

โปรตอนที่ถูกผูกไว้อย่างน้อยหนึ่งตัวจะอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมทุกอะตอม โปรตอนอิสระพบได้ตามธรรมชาติในหลายสถานการณ์ที่พลังงานหรืออุณหภูมิสูงพอที่จะแยกพวกมันออกจากอิเล็กตรอน ซึ่งพวกมันมีความสัมพันธ์กัน โปรตอนอิสระเกิดขึ้นเป็นครั้งคราวบนโลก: พายุฝนฟ้าคะนองสามารถสร้างโปรตอนที่มีพลังงานสูงถึงหลายสิบเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ [ ^{28 ] [ 29 ] โปรตอน}อิสระมีอยู่ในพลาสมาซึ่งมีอุณหภูมิสูงเกินไปที่จะทำให้พวกมันรวมตัวกับอิเล็กตรอนได้^{[ 30 ]}โปรตอนอิสระที่มีพลังงานและความเร็วสูงประกอบขึ้นเป็น 90% ของรังสีคอสมิกซึ่งแพร่กระจายผ่านตัวกลางระหว่างดาว [ ^{31 ] โปรตอน}อิสระถูกปล่อยออกมาโดยตรงจากนิวเคลียสของอะตอม ใน การสลายตัวของกัมมันตรังสีบางประเภทที่หายาก^{[ 32 ]}โปรตอนยังเกิดขึ้น (พร้อมกับอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโน ) จากการสลายตัวของนิวตรอนอิสระซึ่งไม่เสถียร^{[ 33 ]}

การสลายตัวโดยธรรมชาติของโปรตอนอิสระนั้นไม่เคยถูกสังเกตพบมาก่อน ดังนั้นโปรตอนจึงถือเป็นอนุภาคเสถียรตามแบบจำลองมาตรฐาน อย่างไรก็ตามทฤษฎีการรวมแรงพื้นฐาน (GUTs) บางทฤษฎีของฟิสิกส์อนุภาคทำนายว่าการสลายตัวของโปรตอนควรเกิดขึ้นโดยมีอายุขัยระหว่าง^10³¹ถึง 10³⁶ ^ปีขอบเขตล่างเชิงทดลองสำหรับอายุขัยเฉลี่ยคือ0.96 × 10 ³⁰  ปี [ ^{4 ]​}

อายุเฉลี่ยของการสลายตัววัดได้จากการสลายตัวไปสู่ผลิตภัณฑ์ใดๆ นอกจากนี้ยังมีการวัดอายุเฉลี่ยของการสลายตัวไปสู่ผลิตภัณฑ์เฉพาะด้วย ตัวอย่างเช่น การทดลองที่ เครื่องตรวจจับ Super-Kamiokandeในประเทศญี่ปุ่นให้ค่าต่ำสุดของอายุเฉลี่ยของ โปรตอน1.6 × 10 ³⁴  ปีสำหรับการสลายตัวเป็นแอนติมิวออนและไพอน กลาง และ2.4 × 10 ³⁴  ปีสำหรับการสลายตัวเป็นโพซิตรอนและไพอนกลาง^{[ 34 ] [ 4 ]}

เป็นที่ทราบกันดีว่าโปรตอนสามารถเปลี่ยนเป็นนิวตรอน ได้ โดยกระบวนการจับอิเล็กตรอน (หรือเรียกว่าการสลายตัวแบบเบตาผกผัน ) สำหรับโปรตอนอิสระ กระบวนการนี้จะไม่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ แต่จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อมีการป้อนพลังงานเท่านั้น สมการคือ:

พี⁺+ e⁻→ n + ν_อี

กระบวนการนี้สามารถย้อนกลับได้ นิวตรอนสามารถเปลี่ยนกลับเป็นโปรตอนได้ผ่านการสลายตัวแบบเบตาซึ่งเป็นรูปแบบการสลายตัวของกัมมันตรังสีที่ พบได้ทั่วไป อันที่จริงนิวตรอนอิสระจะสลายตัวด้วยวิธีนี้ โดยมีอายุเฉลี่ยประมาณ 15 นาที นอกจากนี้ โปรตอนยังสามารถเปลี่ยนเป็นนิวตรอนได้ผ่านการสลายตัวแบบเบตาบวก (การสลายตัวแบบ β+)

ตามทฤษฎีสนามควอนตัมอายุขัยเฉลี่ยที่แท้จริงของโปรตอนจะมีค่าจำกัดเมื่อพวกมันเร่งความเร็วด้วยความเร่งที่แท้จริงและจะลดลงเมื่อความเร่งที่แท้จริงเพิ่มขึ้นการเร่งความเร็วทำให้เกิดความน่าจะเป็นที่ไม่เป็นศูนย์สำหรับการเปลี่ยนสถานะp${\displaystyle \tau _{\คณิตศาสตร์ {p} }}$${\displaystyle a}$${\displaystyle \tau _{\คณิตศาสตร์ {p} }}$${\displaystyle a}$⁺→ n + e⁺+ ν_อีนี่เป็นเรื่องที่น่ากังวลในช่วงปลายทศวรรษ 1990 เนื่องจากเป็นปริมาณสเกลาร์ที่สามารถวัดได้โดยผู้สังเกตการณ์ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยและกรอบอ้างอิงร่วมในกรอบอ้างอิงเฉื่อยโปรตอนที่กำลังเร่งความเร็วควรจะสลายตัวตามสูตรข้างต้น อย่างไรก็ตาม ตามมุมมองของผู้สังเกตการณ์ร่วม โปรตอนอยู่นิ่งและดังนั้นจึงไม่ควรสลายตัว ปริศนานี้ได้รับการแก้ไขโดยการตระหนักว่าในกรอบอ้างอิงร่วมมีอ่างความร้อนเนื่องจากปรากฏการณ์ฟูลลิง-เดวีส์-อันรูห์ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ภายในของทฤษฎีสนามควอนตัม ในอ่างความร้อนนี้ที่โปรตอนสัมผัส มีอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนที่โปรตอนอาจมีปฏิสัมพันธ์ด้วยตามกระบวนการต่างๆ ดังนี้: ${\displaystyle \tau _{\คณิตศาสตร์ {p} }}$

1. พี⁺+ e⁻→ n + ν ,
2. พี⁺+ ν → n + e⁺และ
3. พี⁺+ e⁻+ ν → n .

เมื่อรวมการมีส่วนร่วมของแต่ละกระบวนการเหล่านี้แล้ว ควรจะได้^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}${\displaystyle \tau _{\คณิตศาสตร์ {p} }}$

ในควอนตัมโครโมไดนามิกส์ซึ่งเป็นทฤษฎีสมัยใหม่ของแรงนิวเคลียร์ มวลส่วนใหญ่ของโปรตอนและนิวตรอนได้รับการอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมวลของโปรตอนมีค่ามากกว่าผลรวมของมวลนิ่งของควาร์ก วาเลนซ์ทั้งสามตัวประมาณ 80-100 เท่า ในขณะที่กลูออนมีมวลนิ่งเป็นศูนย์ พลังงานส่วนเกินของควาร์ ก และ ก ลูออนในโปรตอน เมื่อเทียบกับพลังงานนิ่งของควาร์กเพียงอย่างเดียวในสุญญากาศ QCDคิดเป็นเกือบ 99% ของมวลของโปรตอน ดังนั้น มวลนิ่งของโปรตอนจึงเป็นมวลไม่แปรเปลี่ยนของระบบของควาร์กและกลูออนที่เคลื่อนที่ซึ่งประกอบขึ้นเป็นอนุภาค และในระบบดังกล่าว แม้แต่พลังงานของอนุภาคไร้มวลที่ถูกจำกัดอยู่ในระบบก็ยังถูกวัดเป็นส่วนหนึ่งของมวลนิ่งของระบบ

มีการใช้สองคำในการอ้างถึงมวลของควาร์กที่ประกอบเป็นโปรตอน: มวลควาร์กปัจจุบันหมายถึงมวลของควาร์กเพียงอย่างเดียว ในขณะที่มวลควาร์กที่เป็นส่วนประกอบหมายถึงมวลควาร์กปัจจุบันบวกกับมวลของสนามอนุภาคกลูออน ที่ล้อมรอบควาร์ก^{[ 39 ] : 285–286 [ 40 ] : 150–151} มวลเหล่านี้มักจะมีค่าที่แตกต่างกันมาก พลังงานจลน์ของควาร์กที่เป็นผลมาจากการกักขังเป็นส่วนประกอบหนึ่ง (ดูมวลในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ) จาก การคำนวณ QCD แบบแลตติสพบว่าส่วนประกอบของมวลของโปรตอนประกอบด้วยควาร์กคอนเดนเซต (~9% ซึ่งประกอบด้วยควาร์กอัพและดาวน์ และทะเลของควาร์กแปลกเสมือน) พลังงานจลน์ของควาร์ก (~32%) พลังงานจลน์ของกลูออน (~37%) และส่วนประกอบกลูออนที่ผิดปกติ (~23% ซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบจากคอนเดนเซตของควาร์กทุกรสชาติ) ^{[ 41 ]}

ฟังก์ชันคลื่นแบบจำลองควาร์กที่เป็นส่วนประกอบสำหรับโปรตอนคือ $${\displaystyle \mathrm {|p_{\uparrow }\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {18}}}\left(2|u_{\uparrow }d_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle +2|u_{\uparrow }u_{\uparrow }d_{\downarrow }\rangle +2|d_{\downarrow }u_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }u_{\downarrow }d_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }d_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }d_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }u_{\uparrow }d_{\uparrow }\rangle \right)} .}$$

พลวัตภายในของโปรตอนมีความซับซ้อน เนื่องจากถูกกำหนดโดยการแลกเปลี่ยนกลูออนของควาร์ก และมีปฏิสัมพันธ์กับคอนเดนเซตสุญญากาศต่างๆLattice QCDให้วิธีการคำนวณมวลของโปรตอนโดยตรงจากทฤษฎีด้วยความแม่นยำใดๆ ก็ได้ในทางทฤษฎี การคำนวณล่าสุด^{[ 42 ] [ 43 ]}อ้างว่ามวลถูกกำหนดด้วยความแม่นยำดีกว่า 4% หรือแม้แต่ 1% (ดูรูป S5 ใน Dürr et al. ^{[ 43 ]} ) ข้ออ้างเหล่านี้ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ เนื่องจากยังไม่สามารถทำการคำนวณกับควาร์กที่มีน้ำหนักเบาเท่ากับในโลกแห่งความเป็นจริงได้ ซึ่งหมายความว่าการคาดการณ์นั้นได้มาจากการกระบวนการคาดการณ์ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดที่เป็นระบบ^{[ 44 ]}เป็นเรื่องยากที่จะบอกได้ว่าข้อผิดพลาดเหล่านี้ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสมหรือไม่ เนื่องจากปริมาณที่นำมาเปรียบเทียบกับการทดลองคือมวลของแฮดรอนซึ่งเป็นที่ทราบล่วงหน้า

การคำนวณล่าสุดเหล่านี้ดำเนินการโดยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ และดังที่ Boffi และ Pasquini ตั้งข้อสังเกตไว้ว่า "คำอธิบายโดยละเอียดของโครงสร้างนิวคลีออนยังคงขาดหายไปเนื่องจาก... พฤติกรรมระยะไกลต้องการการจัดการแบบไม่รบกวนและ/หรือเชิงตัวเลข..." ^{[ 45 ]} แนวทางเชิงแนวคิดเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตอน ได้แก่ แนวทาง โซลิตอนเชิงทอพอโลยีซึ่งเดิมทีเป็นผลงานของTony Skyrme และ แนวทาง AdS/QCDที่แม่นยำกว่าซึ่งขยายให้รวมถึงทฤษฎีสตริงของกลูออน^{[ 46 ]}โมเดลต่างๆ ที่ได้รับแรงบันดาลใจจาก QCD เช่นโมเดลถุงและ โมเดล ควาร์กองค์ประกอบซึ่งเป็นที่นิยมในช่วงทศวรรษ 1980 และกฎผลรวม SVZซึ่งอนุญาตให้คำนวณมวลโดยประมาณอย่างคร่าวๆ^{[ 47 ]}วิธีการเหล่านี้ไม่มีความแม่นยำเท่ากับวิธีการ QCD แบบแลตติซที่ใช้กำลังมากกว่า อย่างน้อยก็ยังไม่ถึงตอนนี้

ค่า รัศมีประจุของโปรตอนที่ CODATAแนะนำคือ8.4075(64) × 10 ⁻¹⁶  ม . ^{[ 5 ]}รัศมีของโปรตอนที่วัดโดยการกระเจิงของอิเล็กตรอน-โปรตอนจะแตกต่างจากค่าที่วัดผ่านการเลื่อนแลมบ์ในไฮโดรเจนมิวออนิก ( อะตอมแปลกใหม่ที่ประกอบด้วยโปรตอนและมิวออน ที่มีประจุลบ ) ^{[ 12 ]}เนื่องจากมิวออนหนักกว่าอิเล็กตรอน 200 เท่า ส่งผลให้วงโคจรอะตอมมี ขนาดเล็กกว่า จึงมีความไวต่อรัศมีประจุของโปรตอนมากกว่ามาก และทำให้สามารถวัดได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น^{[ 48 ]}การวัดการกระเจิงและการวัดสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนที่ได้รับการปรับปรุงในภายหลังสอดคล้องกับรัศมีขนาดเล็กใหม่นี้ งานยังคงดำเนินต่อไปเพื่อปรับปรุงและตรวจสอบค่าใหม่นี้^{[ 49 ]}

การวัดความแม่นยำสูงประเภทที่สามสอดคล้องกับค่าที่ได้จากสเปกโทรสโกปีไฮโดรเจนมิวออนิกมากที่สุด แต่ยังคงมีความแตกต่างที่อธิบายไม่ได้ ลักษณะที่แท้จริงของความหมายของการวัดเหล่านี้ก็ถูกตั้งคำถามเช่นกัน^{[ 50 ]}

เนื่องจากโปรตอนประกอบด้วยควาร์กที่ถูกกักขังโดยกลูออน จึง สามารถกำหนด แรงดัน สมมูล ที่กระทำต่อควาร์กได้ ขนาดของแรงดันนั้นและรายละเอียดอื่นๆ เกี่ยวกับแรงดันนั้นยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

ในปี 2018 มีรายงานว่าความดันนี้อยู่ในระดับ 10³⁵ ^Pa  ซึ่งมากกว่าความดันภายในดาวนิวตรอนกล่าวกันว่าความดันสูงสุดอยู่ที่ศูนย์กลาง เป็นบวก (ผลัก) ที่ระยะรัศมีประมาณ 0.6 fm เป็นลบ (ดึงดูด) ที่ระยะทางที่มากกว่านั้น และอ่อนมากที่ระยะเกินประมาณ 2 fm ตัวเลขเหล่านี้ได้มาจากการรวมกันของแบบจำลองทางทฤษฎีและการ กระเจิงคอมป์ตัน เชิงทดลอง ของอิเล็กตรอนพลังงานสูง^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]}อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์เหล่านี้ถูกท้าทายว่าสอดคล้องกับความดันเป็นศูนย์เช่นกัน^{[ 54 ]}และให้รูปร่างโปรไฟล์ความดันโดยการเลือกแบบจำลองอย่างมีประสิทธิภาพ^{[ 55 ]}

รัศมีของโปรตอนที่ถูกไฮเดรตจะปรากฏในสมการของบอร์นสำหรับการคำนวณเอนทาลปีของการไฮเดรชั่นของไฮโดรเนียม

แม้ว่าโปรตอนจะมีแรงดึงดูดต่ออิเล็กตรอนที่มีประจุตรงข้าม แต่ปฏิกิริยานี้มีพลังงานค่อนข้างต่ำ ดังนั้นโปรตอนอิสระจะต้องสูญเสียความเร็ว (และพลังงานจลน์ ) มากพอสมควรจึงจะสามารถเข้าใกล้และจับกับอิเล็กตรอนได้ โปรตอนที่มีพลังงานสูง เมื่อเคลื่อนที่ผ่านสสารทั่วไป จะสูญเสียพลังงานจากการชนกับนิวเคลียสของอะตอมและจากการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอม (การกำจัดอิเล็กตรอน) จนกระทั่งความเร็วลดลงมากพอที่จะถูกจับโดยกลุ่มอิเล็กตรอนในอะตอมปกติ

อย่างไรก็ตาม ในการรวมตัวกับอิเล็กตรอนนั้น คุณสมบัติของโปรตอนที่ถูกผูกไว้จะไม่เปลี่ยนแปลง และมันยังคงเป็นโปรตอนอยู่ แรงดึงดูดของโปรตอนอิสระพลังงานต่ำต่ออิเล็กตรอนใดๆ ที่มีอยู่ในสสารปกติ (เช่น อิเล็กตรอนในอะตอมปกติ) ทำให้โปรตอนอิสระหยุดนิ่งและสร้างพันธะเคมีใหม่กับอะตอม พันธะดังกล่าวเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิที่ "เย็น" เพียงพอ (นั่นคือ เทียบได้กับอุณหภูมิที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์) และกับอะตอมทุกประเภท ดังนั้น ในการปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติ (ที่ไม่ใช่พลาสมา) โปรตอนอิสระความเร็วต่ำจะไม่คงความเป็นอิสระ แต่จะถูกดึงดูดไปยังอิเล็กตรอนในอะตอมหรือโมเลกุลใดๆ ที่มันสัมผัส ทำให้โปรตอนและโมเลกุลรวมตัวกัน โมเลกุลดังกล่าวจึงเรียกว่า "โมเลกุลที่มีโปรตอน " และในทางเคมีแล้ว พวกมันก็คือสารประกอบของไฮโดรเจน ซึ่งมักจะมีประจุบวก บ่อยครั้งที่ผลที่ตามมาคือ พวกมันกลายเป็นสิ่งที่เรียกว่ากรดบรอนสเตด ตัวอย่างเช่น โปรตอนที่ถูกจับโดยโมเลกุลของน้ำในน้ำจะกลายเป็นไฮ _โดรเนียมซึ่งเป็นแคตไอออน^ในสารละลายH₃O⁺

ในวิชาเคมีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่าเลขอะตอมซึ่งเป็นตัวกำหนดธาตุทางเคมีที่อะตอมนั้นเป็นของ ตัวอย่างเช่น เลขอะตอมของคลอรีนคือ 17 หมายความว่าอะตอมคลอรีนแต่ละอะตอมมีโปรตอน 17 ตัว และอะตอมทั้งหมดที่มีโปรตอน 17 ตัวเป็นอะตอมคลอรีน คุณสมบัติทางเคมีของแต่ละอะตอมถูกกำหนดโดยจำนวนอิเล็กตรอน (ประจุลบ) ซึ่งสำหรับอะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวนเท่ากับจำนวนโปรตอน (ประจุบวก) ดังนั้นประจุรวมจึงเป็นศูนย์ ตัวอย่างเช่น อะตอมคลอรีนที่เป็นกลางมีโปรตอน 17 ตัวและอิเล็กตรอน 17 ตัว ในขณะที่ไอออน^Cl⁻ มีโปรตอน 17 ตัวและอิเล็กตรอน 18 ตัว สำหรับประจุรวม 1000 μm−1  e .

อะตอมทั้งหมดของธาตุใดธาตุหนึ่งไม่จำเป็นต้องเหมือนกันเสมอไปจำนวนนิวตรอนอาจแตกต่างกันไป ทำให้เกิดไอโซโทป ที่แตกต่างกัน และระดับพลังงานอาจแตกต่างกัน ส่งผลให้เกิดไอโซเมอร์นิวเคลียร์ ที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น คลอรีนมีไอโซโทปเสถียรสองชนิด:³⁵ ₁₇Clที่มีนิวตรอน 35 − 17 = 18 ตัว และ³⁷ ₁₇Clที่มีนิวตรอน 37 − 17 = 20 ตัว

ในวิชาเคมี คำว่าโปรตอนหมายถึงไอออนไฮโดรเจนH+⁺เนื่องจากเลขอะตอมของไฮโดรเจนคือ 1 ไอออนของไฮโดรเจนจึงไม่มีอิเล็กตรอนและสอดคล้องกับนิวเคลียสเปล่า ซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว (และนิวตรอน 0 ตัวสำหรับไอโซโทปโปรเทียมซึ่งเป็น ไอโซโทปที่พบมากที่สุด)¹ ₁H ) โปรตอนเป็น "ประจุเปล่า" ที่มีรัศมีเพียงประมาณ 1/64,000 ของอะตอมไฮโดรเจน ดังนั้นจึงมีปฏิกิริยาทางเคมีสูงมาก โปรตอนอิสระจึงมีอายุสั้นมากในระบบเคมี เช่น ของเหลว และมันจะทำปฏิกิริยากับกลุ่มอิเล็กตรอนของโมเลกุลใดๆ ที่มีอยู่ทันที ในสารละลายในน้ำ มันจะก่อตัวเป็น_{ไอออน}ไฮโดรเนียม^H₃O⁺ _ซึ่งจะถูก^ล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำใน^{กลุ่มคลัสเตอร์}เช่น [ _H₅O₂ ] ^⁺และ _[ H₉O₄] ^⁺ [ ₅₆ ]

การถ่ายโอนH⁺ในปฏิกิริยาของกรด-เบสโดยทั่วไปจะเรียกว่า "การถ่ายโอนโปรตอน" กรดเรียกว่าผู้ให้โปรตอน และเบสเรียกว่าผู้รับโปรตอน ในทำนองเดียวกัน คำศัพท์ ทางชีวเคมีเช่นปั๊มโปรตอนและช่องโปรตอนก็หมายถึงการเคลื่อนที่ของH ที่ถูกไฮเดรต⁺ไอออน

ไอออนที่เกิดขึ้นจากการดึงอิเล็กตรอนออกจาก อะตอม ของดิวเทอเรียมเรียกว่าดิวเทอรอนไม่ใช่โปรตอน ในทำนองเดียวกัน การดึงอิเล็กตรอนออกจาก อะตอม ของทริเทียมจะทำให้เกิดไตร ตอน

ในทางเคมี คำว่าโปรตอน NMRหมายถึงการสังเกตนิวเคลียสของไฮโดรเจน-1 ในโมเลกุล (ส่วนใหญ่เป็นสารอินทรีย์ ) โดยใช้การเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์วิธีนี้ใช้โมเมนต์แม่เหล็กสปินแบบควอนตัม ของโปรตอน ซึ่งเกิดจากโมเมนตัมเชิงมุม (หรือสปิน ) ของมัน ซึ่งมีขนาดครึ่งหนึ่งของค่าคงที่พลังค์แบบ ลดทอน ( ) ชื่อนี้หมายถึงการตรวจสอบโปรตอนในรูปของโปรเทียม (อะตอมไฮโดรเจน-1) ในสารประกอบ และไม่ได้หมายความว่ามีโปรตอนอิสระอยู่ในสารประกอบที่กำลังศึกษา ${\displaystyle \hbar /2}$

ชุดอุปกรณ์ทดลองพื้นผิวดวงจันทร์อะพอลโล (ALSEP) ระบุว่าอนุภาคในลมสุริยะ มากกว่า 95% เป็นอิเล็กตรอนและโปรตอนในจำนวนที่ใกล้เคียงกัน^{[ 57 ] [ 58 ]}

เนื่องจากเครื่องวัดสเปกตรัม ลมสุริยะ ทำการวัดอย่างต่อเนื่อง จึงสามารถวัดได้ว่าสนามแม่เหล็กโลกส่งผลต่ออนุภาคลมสุริยะที่เข้ามาอย่างไร ประมาณสองในสามของวงโคจรแต่ละรอบดวงจันทร์จะอยู่นอกสนามแม่เหล็กโลก ในช่วงเวลาดังกล่าว ความหนาแน่นของโปรตอนโดยทั่วไปอยู่ที่ 10 ถึง 20 ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร โดยโปรตอนส่วนใหญ่มีความเร็วระหว่าง 400 ถึง 650 กิโลเมตรต่อวินาที ประมาณห้าวันในแต่ละเดือน ดวงจันทร์จะอยู่ภายในหางแม่เหล็กโลก และโดยทั่วไปจะไม่สามารถตรวจจับอนุภาคลมสุริยะได้ สำหรับช่วงเวลาที่เหลือของวงโคจรดวงจันทร์แต่ละรอบ ดวงจันทร์จะอยู่ในบริเวณเปลี่ยนผ่านที่เรียกว่าแมกนีโตชีทซึ่งสนามแม่เหล็กโลกส่งผลต่อลมสุริยะ แต่ไม่ได้กีดกันมันออกไปอย่างสมบูรณ์ ในบริเวณนี้ ฟลักซ์ของอนุภาคจะลดลง โดยมีความเร็วของโปรตอนโดยทั่วไปอยู่ที่ 250 ถึง 450 กิโลเมตรต่อวินาที ในช่วงกลางคืนของดวงจันทร์ เครื่องวัดสเปกตรัมจะถูกบังจากลมสุริยะโดยดวงจันทร์ และไม่สามารถวัดอนุภาคลมสุริยะได้^{[ 57 ]}

โปรตอนยังมีต้นกำเนิดจากนอกระบบสุริยะ เช่น รังสีคอสมิก จากกาแล็กซี ซึ่งคิดเป็นประมาณ 90% ของปริมาณอนุภาคทั้งหมด โปรตอนเหล่านี้มักมีพลังงานสูงกว่าโปรตอนจากลมสุริยะ และความเข้มของพวกมันมีความสม่ำเสมอและแปรผันน้อยกว่าโปรตอนที่มาจากดวงอาทิตย์ ซึ่งการผลิตโปรตอนจากดวงอาทิตย์ได้รับผลกระทบอย่างมากจากเหตุการณ์โปรตอนจากดวงอาทิตย์เช่น การปลดปล่อย มวล โคโรนา

มีการวิจัยเกี่ยวกับผลกระทบของอัตราปริมาณรังสีของโปรตอน ซึ่งมักพบในการเดินทางในอวกาศต่อสุขภาพของมนุษย์^{[ 58 ] [ 59 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีความหวังที่จะระบุว่าโครโมโซมใดได้รับความเสียหาย และกำหนดความเสียหายในระหว่าง การพัฒนา ของมะเร็งจากการสัมผัสโปรตอน^{[ 58 ]}การศึกษาอีกชิ้นหนึ่งมุ่งเน้นไปที่การกำหนด "ผลกระทบของการสัมผัสรังสีโปรตอนต่อจุดสิ้นสุดทางเคมีประสาทและพฤติกรรม รวมถึงการทำงานของโดปามีน การเรียนรู้การหลีกเลี่ยงรสชาติที่เกิดจากแอมเฟ ตามีนและการเรียนรู้และความจำเชิงพื้นที่ที่วัดโดยเขาวงก้นน้ำมอร์ริส " ^{[ 59 ]}การประจุไฟฟ้าของยานอวกาศเนื่องจากการระดมยิงโปรตอนระหว่างดาวเคราะห์ก็ได้รับการเสนอให้ศึกษาเช่นกัน^{[ 60 ]}มีการศึกษาอีกมากมายที่เกี่ยวข้องกับการเดินทางในอวกาศ รวมถึงรังสีคอสมิกกาแล็กซีและผลกระทบต่อสุขภาพที่อาจเกิดขึ้นและการสัมผัส เหตุการณ์โปรตอนจากดวงอาทิตย์

การทดลองการเดินทางในอวกาศ Biostack ของอเมริกาและ Biorack ของโซเวียตได้แสดงให้เห็นถึงความรุนแรงของความเสียหายระดับโมเลกุลที่เกิดจากไอออนหนักต่อจุลินทรีย์รวมถึงซีสต์ของอาร์ทีเมีย^{[ 61 ]}

สมมาตร CPTกำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดต่อคุณสมบัติสัมพัทธ์ของอนุภาคและปฏิอนุภาคดังนั้นจึงเปิดให้มีการทดสอบอย่างเข้มงวด ตัวอย่างเช่น ประจุของโปรตอนและปฏิโปรตอนต้องรวมกันได้เป็นศูนย์พอดี ความเท่าเทียมกันนี้ได้รับการทดสอบแล้วโดยมีความแม่นยำถึงหนึ่งส่วนใน10 ⁸ . ความเท่าเทียมกันของมวลของพวกเขายังได้รับการทดสอบให้ดีขึ้นกว่าหนึ่งส่วนใน10 ⁸ . โดยการกักเก็บแอนติโปรตอนไว้ในกับดักเพนนิงความเท่าเทียมกันของอัตราส่วนประจุต่อมวลของโปรตอนและแอนติโปรตอนได้รับการทดสอบจนถึงหนึ่งส่วนใน6 × 10 ⁹ . ^{[ 62 ]} พบว่า โมเมนต์แม่เหล็กที่วัดได้ของโปรตอนและแอนติโปรตอนมีค่าเท่ากันและตรงข้ามกันภายใน 0.8 ppm ^{[ 63 ]}

• บอล, ริชาร์ด ดี.; แคนดิโด, อเลสซานโดร; ครูซ-มาร์ติเนซ, ฮวน; ฟอร์เต้, สเตฟาโน; จิอานี, ทอมมาโซ; เฮคอร์น, เฟลิกซ์; คูดาชคิน, คิริลล์; แม็กนี่, จาโคโม; โรโฮ, ฮวน (สิงหาคม 2022). “หลักฐานเสน่ห์ควาร์กภายในโปรตอน ” ธรรมชาติ . 608 (7923): 483– 487. arXiv : 2208.08372 . Bibcode : 2022Natur.608..483N . ดอย : 10.1038/s41586-022-04998-2 . ISSN  1476-4687​ พีเอ็มซี 9385499 . PMID35978125  .​
• Gao, H.; Vanderhaeghen, M. (2022-01-21). "รัศมีประจุของโปรตอน" . Reviews of Modern Physics . 94 (1) 015002. arXiv : 2105.00571 . Bibcode : 2022RvMP...94a5002G . doi : 10.1103/RevModPhys.94.015002 . ISSN  0034-6861 .

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับโปรตอนในวิกิมีเดียคอมมอนส์
• กลุ่มข้อมูลอนุภาคที่LBL
• เครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่
• อีฟส์, ลอเรนซ์ ; โคปแลนด์, เอ็ด; ปาดิลลา, อันโตนิโอ (โทนี่) (2010). "โปรตอนที่หดตัว" . หกสิบสัญลักษณ์ . เบรดี้ ฮารานสำหรับมหาวิทยาลัยนอตติงแฮม .
• โครงการสร้างภาพโปรตอนของ MIT:
  • ภายในโปรตอน สิ่งที่ 'ซับซ้อนที่สุดเท่าที่คุณจะจินตนาการได้' นิตยสาร Quanta , 19 ตุลาคม 2022
  • การสร้างภาพจำลองของโปรตอน , ศิลปะที่ MIT, 2022