प्रोटॉन (Proton)

प्रोटॉन (Proton; $P$ ) आणि न्यूट्रॉन (Neutron; $n$ ) हे दोन कण अणुकेंद्रकाचे (न्यूक्लियसांचे; Nucleus) घटक आहेत. प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनांची वस्तुमाने जवळ जवळ सारखी आहेत आणि त्यांचे इतर काही गुणधर्म ही एकसारखे आहेत. त्यामुळे या दोघांना न्युक्लिऑन (Nucleon) असे संबोधले जाते. प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन हे प्रबळ आंतरक्रिया असलेले कण आहेत. सुरवातीस प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन हे मूलभूत कण आहेत असे मानले जात होते, परंतु आता हे कण क्वार्क(Quark), प्रतिक्वार्क (Antiquark) आणि ग्लुऑन Gluon) यांपासून बनले आहेत असे समजले आहे. आत्तापर्यंत केलेल्या प्रयोगांनुसार असे आढळून आले आहे की, प्रोटॉन हा स्थायी कण आहे असे समजले जाते. विविध प्रयोगात आढळले आहे की, प्रोटॉनांचा ऱ्हास होत असल्यास त्यांचा अर्धायुकाल १०^२४ वर्षांहून अधिक आहे. परंतु कणभौतिकीच्या काही एकीकरणाच्या (unification) सिद्धांतांनुसार प्रोटॉनचा ऱ्हास होतो असे भाकित केलेले आहे. प्रोटॉन प्रबळ आंतरक्रियाशील असल्याने त्याची हॅड्रॉनांमध्ये (hadron) गणना होते. तसेच प्रोटॉनची बॅरिऑन संख्या १ असल्याने त्याची बॅरिऑनांमध्येही गणना केली जाते. प्रोटॉनाचे प्रमुख गुणधर्म खालील तक्त्यात नमूद केलेले आहेत.

१	वस्तुमान	१.००७२७६४६६८ da = १.६७२६२१८९८ x १०^-२७ kg
२	विद्युतभार	१ $e$ = १.६०२१७६६२०८ x १०^-१९ $C$
३	परिवलनसंख्या (spin), पॅरिटी	१/२ (फेर्मिऑन ), $+$
४	चुंबकीय द्विधृवीय आघूर्ण	२.७९२८४७३५० न्यूक्लीय मॅग्नेटॉन (nuclear magneton)
५	आंतरक्रिया	प्रबळ, अबल, विद्युतचुंबकीय, गुरुत्वाकर्षण.

शोध : प्रोटॉन किंवा हायड्रोजन अणूची संकल्पना विल्यम प्राउट यांनी १८१५ मध्ये मांडली. त्यांच्या मते सर्व अणू हायड्रोजन अणूंनी बनलेले असतात. परंतु ही कल्पना, इतर अणूंची वस्तुमाने हायड्रोजन अणूच्या वस्तुमानाच्या पूर्णांकाच्या पटीत नसल्याने स्वीकारली गेली नव्हती. विसाव्या शतकाच्या पहिल्या दशकात रदरफ़ोर्डच्या अल्फा कणांच्या प्रयोगानंतर अणूंच्या अणुकेंद्रिय प्रतिकृतीचा स्वीकार झाला. या प्रतिकृतिनुसार अणूंच्या केंद्रभागी अणुकेंद्रक असते आणि या केंद्रकाभोवती इलेक्ट्रॉन फिरत असतात. त्यानंतर रदरफ़ोर्डने सर्व अणुकेंद्रके हायड्रोजन अणूच्या अणुकेंद्रकाने तयार झाली आहेत असा प्रस्ताव मांडला. १९१७ ते १९१९ मध्ये केलेल्या प्रयोगांत त्यांना असे आढळून आले की अल्फा कण हवेतून जाताना धन विद्युतभार असलेले आणि हायड्रोजन अणूएवढे वस्तुमान असलेले कण निर्माण होतात. हे कण हायड्रोजन अणूचे अणुकेंद्रकच असावे असा त्याने कयास बांधला. अधिक प्रयोगांनुसार त्यांना असे आढळून आले की, अल्फा कणांच्या हवेतील नायट्रोजन अणूंच्या अणुकेंद्रकाबरोबर झालेल्या संघातातून हे कण निर्माण होतात. १९२० मध्ये रदरफोर्डने या कणांचे प्रोटॉन किंवा प्राउटॉन असे नामकरण केले.

प्रोटॉनांचे गुणधर्म : प्रोटॉनांचे प्रमुख गुणधर्म वरील तक्त्यात दिलेले आहेत. त्यांविषयी विस्तृत माहिती प्रोटॉनांचे गुणधर्म या नोंदीत दिलेली आहे.

प्रोटॉनांची संरचना :

**प्रोटॉनची प्रतिकृती**. डावीकडील चित्रात क्वार्क, प्रतिक्वार्क आणि ग्लूऑन दाखवलेले आहेत. ग्लूऑन निळ्या रंगांच्या रेषांनी दाखवलेले आहेत. उजवीकडील चित्र हे घटक क्वार्क प्रतिकृतीनुसार काढले आहे. या प्रतिकृतीनुसार प्रोटॉनमध्ये दोन यू क्वार्क ( $u$ quark; लाल वर्तुळ) आणि एक डी क्वार्क ( $d$ quark; निळे वर्तुळ) असतात.

प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन हे मूलभूत आणि बिंदुवत (point) कण आहेत असे सुरवातीस मानले जात होते. परंतु ते बिंदुवत नसावेत असे त्यांच्या चुंबकीय द्विधृवीय आघूर्णाच्या मूल्यामुळे कळते. १/२ परिवलनसंख्या असलेल्या कणांच्या डिरॅकच्या सिद्धांतानुसार प्रोटॉनांचे चुंबकीय आघूर्ण १ न्यूक्लीय मॅग्नेटॉन असायला हवे. परंतु त्याचे मूल्य २.७९२८ न्यूक्लीय मॅग्नेटॉन आहे. इलेक्ट्रॉनांच्या प्रोटॉनांबरोबरील विकीरणाच्या (scattering) प्रयोगात प्रोटॉन बिंदुवत कण नसून त्याचा विद्युतभार त्याच्या केंद्राभोवती विखुरलेला आहे हे कळते. प्रोटॉनांच्या अंतर्गत संरचनेसंबंधी विस्तृत माहिती अतिउच्च ऊर्जेच्या इलेक्ट्रॉनांच्या प्रोटॉनांबरोबरील संघातामधून कळते. या प्रयोगांतून प्रोटॉनचा विद्युतभार ०.८ x १०^-१५ मी. पर्यंत विखुरलेला आहे असे कळते. क्वार्कांच्या शोधानंतर आणि प्रबळ आंतरक्रियेच्या अभ्यासामधून असे कळते की प्रोटॉन क्वार्क आणि ग्लूऑन या मूलभूत कणांनी तयार झालेला असतो [क्वांटम क्रोमोडायनॅमिक्स; quantum chromodynamics; QCD]. म्हणजेच प्रोटॉनमध्ये क्वार्क, प्रतिक्वार्क आणि ग्लुऑन असतात. क्वांटम क्रोमोडायनॅमिक्सवर आधारित एका प्रतिकृतीनुसार (घटक प्रतिकृती – constituent quark model) प्रोटॉन मध्ये दोन यू क्वार्क ( $u$ quarks) आणि एक डी क्वार्क ( $d$ quark) असतो. अशा क्वार्कांना घटक क्वार्क म्हणतात.

संसूचन, त्वरण आणि उपयोग : प्रोटॉन विद्युतभारित असल्याने त्यांचे संसूचन (detection) करणे बरेच सोपे असते. प्रोटॉन कोणत्याही पदार्थातून जाताना पदार्थातील रेणूंना आयनित (ionize) करतात. अशा आयनित रेणू आणि इलेक्ट्रॉन यांच्याद्वारे प्रोटॉनांची दिशा, स्थान आणि वेग निश्चित करता येतात [कण संसूचक]. कमी ऊर्जा असलेले प्रोटॉन हायड्रोजन अणूंना आयनित करून मिळतात. परंतु बऱ्याच वेळा अधिक ऊर्जा असलेल्या प्रोटॉनांची आवश्यकता असते. त्यासाठी वेगवेगळ्या प्रकारचे त्वरक वापरतात. अशा त्वरकांमध्ये प्रथम प्रोटॉनांना समांतरित आणि एकाच ऊर्जेचे करतात. त्यानंतर विद्युतस्थितिक पद्धती अथवा विद्युत चुम्बकीय पद्धती वापरून त्यांची ऊर्जा वाढवली जाते [कण त्वरक].

प्रोटॉनांचा उपयोग न्यूक्लीय वैद्यकीत करण्यात येतो. उदा., उच्च ऊर्जेच्या प्रोटॉनांचा उपयोग किरणोत्सर्गी उपचारपद्धतीत होतो. तसेच अतिउच्च ऊर्जेचे प्रोटॉन वजनदार अणुकेंद्रांवर आदळल्यास बऱ्याच न्यूट्रॉनांचे उत्सर्जन होते आणि या न्यूट्रॉनांचा अणुभट्ट्यांमध्ये वापरण्याच्या दृष्टीने प्रयोग करण्यात येत आहेत.

न्यूक्लिऑनांची बद्ध प्रावस्था (Nuclear bound states) : प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन हे कण अणुकेंद्रकांचे घटक आहेत. न्यूक्लिऑनांमधील प्रबळ आंतरक्रियेमुळे प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन अणुकेंद्रकात बांधले जातात. परंतु प्रयोगांमधून असे कळते की, दोन अथवा अधिक प्रोटॉन अणुकेंद्रकामध्ये बांधले जात नाहीत. दोन प्रोटॉन बद्ध होण्यासाठी कमीतकमी आणखी एका न्यूट्रॉनाची आवश्यकता असते. तसेच फक्त दोन न्यूट्रॉन अणुकेंद्रकामध्ये बांधले जात नाहीत. याउलट एक प्रोटॉन आणि एक न्यूट्रॉन बद्ध होऊन ड्यूटेरॉन नावाचे अणुकेंद्रक तयार होते. दोन न्यूक्लिऑन असलेल्या अणुकेंद्रकांचा विचार केल्यास असे आढळते की, फक्त न्यूट्रॉन आणि प्रोटॉन असलेले बद्ध अणुकेंद्रक (ड्यूटेरॉन) आढळते पण दोन प्रोटॉन अथवा दोन न्यूट्रॉन असलेली अणुकेंद्रके नसतात. ही वस्तुस्थिती प्रबळ आंतरक्रियेवर समभारिक आभ्रामाचा (isotopic spin) परिणाम असल्याचे दाखवते.