ما هو البروتون؟

تعريف البروتون

يعود أصل كلمة بروتون (بالإنجليزية: Proton) إلى اللغة اليونانية وتعني "أولًا"، وهو الأساسية التي تتكون منها الذرة، ويوجد في نواة الذرة، وشحنة البروتون الكهربائية 1، وكتلته1، ، وللبروتون العديد من المترادفات نذكر منها ما يلي:

• proto.
• primitive.
• ancient.
• earliest.
• first.
• prehistoric.
• antediluvian.
• primordial.
• primal.
• lower.
• original.

خصائص البروتون

هناك العديد من الخصائص الفيزيائية التي يتمتع بها البروتون، ومنها:

• الرمز: يرمز للبروتون بالرمز P أو بالرمز P.
• المجموعة: تنتمي البروتونات إلى مجموعة الباريونات (وهي عبارة عن جسيمات دون ذرية مكونة من 3 كواركات).
• الكتلة: كتلة البروتونات صغيرة جدًا، فهي أقل من كتلة النيوترونات بقليل، إلا أن البروتونات مقارنةً بكتلة الإلكترونات أكبر بحوالي 1836 مرة، وتساوي كتلة البروتون الفعلية 27-^10 × 1.6726 كجم.
• الشحنة: شحنة البروتون الكهربائية موجبة.
• متوسط العمر: يبلغ متوسط عمر البروتون وفق ما حدده العالم فينغ نحو 10^34 عامًا.
• عدد البروتونات في الذرة: لا يمكن حصر عدد البروتونات في الذرة في رقم محدد، لأن ذلك فريد لكل عنصر إذ يمتلك كل عنصر عدد من البروتونات يختلف عن العناصر الأخرى، فمثلًا عنصر الكربون تحتوي ذراته على 6 بروتونات، أما ذرات عنصر الأكسجين فتحتوي على 8 بروتونات.
• عدد الكواركات: تتكون البروتونات من 3 كواركات؛ 2 منها علوية بشحنة 2/3 ، وواحدة سفلية بشحنة 1/3-، يترابطون مع بعضهم البعض بواسطة الغلوونات.
• التجاذب: تتجاذب البروتونات مع الإلكترونات، وذلك من مبدأ تجاذب الشحنات المعاكسة لبعضها، إذ إن البروتون شحنته موجبة، بينما البروتون المضادّ شحنته سالبة، مما يؤدي إلى جذب بعضهما البعض.
• إمكانية التحلل: من خصائص البروتونات أنها لا تتحلل لجسيمات أخرى، لأنها تعتبر جسيمات مستقرة.

مكتشف البروتون

مكتشف البروتون هو العالم إرنست رذرفورد، وهو عالم نيوزلندي، وقام باكتشافه في عام 1917م، وتعود قصة اكتشافه إلى تجربة رقائق الذهب، التي من خلالها استنتج رذرفورد أنه عندما أطلق حزمة من جسيمات ألفا إلى الهواء؛ لاحظ أنّ كاشفات التلألؤ خاصته كانت قد كشفت عن نوى الهيدروجين.

وبعدما واصل البحث في الموضوع استنتج أن نوى الهيدروجين التي كشف عنها لا بد أنها أُنتجت من النيتروجين الذي يوجد في الغلاف الجوي، فقام بإطلاق حزم من جسيمات ألفا كرة أخرى في غاز النيتروجين النقي؛ فلاحظ أنه نتج أعداد أكبر من نوى الهيدروجين، وفي المحصلة توصل إلى أنّ نواة الهيدروجين هي نشأت من ذرة النيتروجين، وبالتالي فإن نواة الهيدروجين كانت جزءًا من كافة الذرات الأخرى، وفيما بعد أطلق اسم "البروتون" على نواة الهيدروجين، وعُرفت كأحد المكونات الأساسية لنواة الذرة.

وظيفة البروتون في الذرة

بالطبع هناك أهمية بالغة لوجود البروتونات داخل نواة الذرة، فهي تحافظ على ترابط نواة الذرة بعضها ببعض، إلى جانب أنها تجذب الإلكترونات ذات الشحنة السالبة، وبالتالي تحافظ على بقائها في مدار ثابت حول النواة، ويُحدد عدد البروتونات العنصر الكيميائي.

ويُشار لهذا العدد باسم "الرقم الذري" ويرمز له كثيرًا بالحرف "Z"، الذي بالاعتماد عليه يُحَدّد موقع وترتيب العنصر الكيميائي في الجدول الدوري، كما يحدد عدد البروتونات الموجودة في النواة الكثير من خصائص العنصر الكيميائي، بما فيها إن كان معدن أو غاز مثلًا، كما يحدد أيضًا السلوك الكيميائي له (كيفية تصرف الذرات عند التفاعل مع إحدى المواد الكيميائية الأخرى من ناحية الإلكترونات وترتيبها، فقد تكتسب الذرة الإلكترونات أو تفقدها أو تشاركها).

مما سبق نستنتج أن البروتون من المكوّنات الأصيلة في الذرة التي تحافظ على تماسكها، فهو بشحنته السالبة يجذب الإلكترونيات ويبقيها في مدارها حول النواة، وعدد البروتونات في العنصر الكيميائي يحدد عدده الذري الذي على أساسه يأخذ ترتيبه ومكانه في الجدول الدوري، ويعود الفضل لاكتشافه لسلسة من التجارب والاكتشافات العلمية التي انتهت باكتشاف البروتون، واكتشاف خصائصه التي استخدمت في الكثير من التطبيقات سواء الطبية، أو النووية.

تطبيقات على البروتون

بعد التعرف على البروتون وخصائصه وقصة اكتشافه، لا بد من الاطلاع على التطبيقات التي يستخدم فيها البروتون في الحياة العملية، ومن أبرزها ما يأتي: 

• العلاج بالبروتون: وهو بطرق مختلفة، ومنها:
  • جهاز السيكلوترون: من أقدم تطبيقات العلاج بالبروتون ما يسمى "السيكلوترون"؛ وهو عبارة عن جهاز اخترعه العالم الأمريكي إرنست لورنس، وتكمن وظيفته في تسريع البروتون إلى طاقة عالية بدرجة كافية لتطبيقات علاج مرض السرطان.
  • العلاج الإشعاعي بالبروتون: كما أنه في عام 1946 كان قد اقترح الفيزيائي روبرت ويلسون طريقة العلاج بحزمة البروتونات، وهو إحدى أنواع العلاج الإشعاعي الجديد، ويعتمد على استخدام أشعة عالية الطاقة لغايات علاج السرطان، وفي علاج بعض الأورام الحميدة، يعتمد على استخدام البروتونات لإرسال حزم طاقتها عالية تستهدف الأورام بدقة أكثر من الأشعة السينية، فيقوم الأطباء بتركيز شعاع البروتون على الورم بدقة من حيث حجمه وشكله، فيعمل الشعاع على قتل خلايا الورم تدريجيًا طبقة تلو الأخرى، مع الحرص على المحافظة على الأنسجة المحيطة بالورم لتبقى سليمة.
• التصوير بالبروتون عالي الطاقة: وهي تقنية طبية لتصوير الأنسجة البيولوجية للإنسان باستخدام مجهر البروتون، وهو جهاز يعتمد على البصريات المغناطيسية، وذلك ما يتميز به عن معظم الطرق الأخرى للتصوير بالبروتون، ويستطيع المستخدم الحصول على البيانات المطلوبة ومعالجتها بشكل أبسط بكثير من التقنيات الأخرى، ويكثر استخدامه بشكل أساسي في الجراحة.
• مسرعات الجسيمات: ينتج عن البروتونات من الهيدروجين المتأين سرعة عالية في مسرعات الجسيمات، وتستخدم لدراسة وإنتاج التفاعلات النووية، كما تستخدم أيضًا كمقذوفات.

الخلاصة

يعرف البروتون على أنه جسيم دون ذري من المكونات الأساسية للذرة، وهو جسيم ذو شحنة موجبة غير قابل للتحلل، وكتلته صغيرة جدًا، ويرمز له بالرمز "P"، ويصنف ضمن الباريونات، وكان اكتشافه من قبل العالم إرنست رذرفورد، بفضل تجربة رقائق الذهب.

وهناك أهمية كبيرة للبروتون؛ فهو يعمل على ربط نواة الذرة ببعضها البعض، كما يعمل على جذب الإلكترونات ذات الشحنة السالبة للمحافظة على بقائها في مدارها، وعلاوة على ذلك فإن العنصر يحدد بمعرفة عدد البروتونات فيه، ويستخدم في العديد من التطبيقات التي تفيد البشرية، وأهمها العلاج بالبروتون، والتصوير بالبروتون عالي الطاقة، وفي مسرعات الجسيمات، والمزيد.