ลักษณะของโปรตอน

วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ค่อยๆ ค้นพบความจริงอันน่าทึ่งที่ว่า ทุกสิ่งมีความสำคัญ แม้จะมีความผันแปรนับไม่ถ้วนก็ตาม ในคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี - สร้างขึ้นจากหน่วยพื้นฐานที่ค่อนข้างจำกัดที่เรียกว่า อะตอม ในทางกลับกัน อะตอมเหล่านี้เป็นการจัดเรียงที่แตกต่างกันของอนุภาคพื้นฐานสามประการ: อิเล็กตรอน นิวตรอน และโปรตอน ในแง่หนึ่ง โปรตอนคือการกำหนดอนุภาคย่อยของอะตอม เนื่องจากอะตอมถูกจัดประเภทเป็นองค์ประกอบเฉพาะตามจำนวนโปรตอน

โปรตอนตั้งอยู่ในนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งเป็นแกนที่มีขนาดกะทัดรัดอยู่ตรงกลางอะตอม นิวเคลียสส่วนใหญ่ยังมีนิวตรอนอยู่ด้วย บางทีคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของโปรตอนก็คือประจุไฟฟ้าบวกของมัน ประจุนี้มีขนาดเท่ากับประจุไฟฟ้าลบของอิเล็กตรอน ซึ่งหมายความว่าประจุของโปรตอนหนึ่งตัวจะทำให้ประจุของอิเล็กตรอนสมดุลกัน นิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า ดังนั้นอะตอมจะมีประจุเป็นกลางโดยรวมตราบใดที่จำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน

โปรตอนมีมวลน้อยแต่ไม่เป็นศูนย์ อันที่จริง โปรตอนและนิวตรอนก่อตัวเป็นมวลส่วนใหญ่ในจักรวาล สสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอม และมวลของอะตอมนั้นมาจากโปรตอนและนิวตรอนเป็นหลัก มวลของโปรตอนหนึ่งตัวคือ 1.67 x 10^-27 กิโลกรัม ซึ่งคล้ายกับมวลนิวตรอนมากแต่มากกว่ามวลอิเล็กตรอนมาก ซึ่งก็คือ 9.11 x 10^-31 กิโลกรัม โปรตอนแม้เกือบจะเล็กจนคาดไม่ถึง แต่ก็มีขนาดทางกายภาพที่วัดได้ การวิจัยสมัยใหม่ระบุว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอนอยู่ที่ประมาณ 1.6 x 10^-13 เซนติเมตร

กฎของคูลอมบ์ระบุว่าประจุไฟฟ้าที่มีขั้วตรงข้ามมีแรงดึงดูด และประจุไฟฟ้าที่มีขั้วเดียวกันจะมีแรงผลัก นอกจากนี้ยังระบุด้วยว่าแรงนี้เป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะทางที่แยกประจุสองจุด ดังนั้น ขนาดของแรงไฟฟ้าระหว่างประจุสองจุดจะเพิ่มขึ้นเป็นอนันต์เมื่อประจุแบบจุดเข้าใกล้กันมาก ซึ่งหมายความว่าโปรตอนซึ่งบรรจุอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมจะมีแรงผลักอย่างมหาศาล นิวเคลียสยังคงไม่บุบสลายเพราะสิ่งที่เรียกว่ากำลังแรง แรงพื้นฐานหนึ่งในสี่แรง แรงแรงกระทำต่อโปรตอนและนิวตรอน และสามารถจับพวกมันไว้ด้วยกัน เพราะมันแรงกว่าแรงไฟฟ้าระหว่างโปรตอน

ในบริบทของฟิสิกส์ โปรตอนมักถูกกล่าวถึงโดยเฉพาะว่าเป็นอนุภาคของอะตอม อย่างไรก็ตาม นักเคมีใช้คำว่า "โปรตอน" และ "ไฮโดรเจนไอออน" แทนกันได้ อะตอมของไฮโดรเจนมีโปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และส่วนใหญ่มีนิวตรอนเป็นศูนย์ ดังนั้น เมื่ออะตอมของไฮโดรเจนสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายเป็นไอออน สิ่งที่เหลืออยู่ก็คือโปรตอนตัวเดียว ข้อเท็จจริงนี้เป็นแง่มุมที่สำคัญของเคมี เนื่องจากความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนในสารละลายเป็นตัวกำหนดระดับความเป็นกรดของสารละลาย กล่าวอีกนัยหนึ่งสิ่งที่ทำให้สารเป็นกรดคือความสามารถในการบริจาคโปรตอนให้กับสารอื่น ๆ ในระหว่างปฏิกิริยาทางเคมี