Protoner ognøytroner kalles med et fellesnavn fornukleoner. Nukleoner er byggesteinene iatomkjernene.

Antall protoner i en atomkjerne er den definerende egenskapen til de ulikegrunnstoffene, og dette antallet kalles foratomnummer. Atomnummeret brukes til å klassifisere grunnstoffer iperiodesystemet. Kjernen ihydrogenatomet er ett enkelt proton.

Protoner gir, sammen med elektroner, materie sine fundamentale egenskaper. Antallet protoner i atomene til et stoff gir opphav til helt forskjellige egenskaper for ulike stoffer:

• Hydrogen har ett proton i atomkjernen og er en antennbargass.
• Karbon har tolv protoner i atomkjernen og gir opphav til verdens hardeste stoff,diamant.
• Thorium har 90 protoner i atomkjernen og er etradioaktivt grunnstoff som brukes ikjernereaktorer.

Protonetsmasse er 1,00728atommasseenheter eller 1,67262·10⁻²⁷ kilo (tall på standardform). Dette er 1836 ganger mer ennelektronets masse. Protonet er litt lettere ennnøytronet.

Den elektriskeladningen til protonet er én positivelementærladning, altså like stor som – og motsatt avelektronets.

Protonet har en intern dreieimpuls som kallesspinn. Spinnet er ulikt null selv når protonet er helt i ro. Ifølgekvantemekanikk kan spinnet kun tadiskrete verdier. For protoner har spinnet verdi \(\frac{1}{2} \hbar\) (\(\hbar\) =Plancks konstanthdividert med 2π). Det gjør at protonet dessuten har etmagnetisk moment på 2,793kjernemagnetoner.

Ipartikkelfysikk regner man det nå som eksperimentelt påvist at protonet er sammensatt av trekvarker; to opp-kvarker og én ned-kvark.

Ved eksperimenter utført ved store energier, for eksempel 10–100 ganger protonetshvileenergi, vil man kunne observere protonets indre struktur. I tillegg til de tre kvarkene, som ofte kallesvalenskvarker, viser eksperimenter at det også eksisterervirtuelle kvark–antikvark-par i tillegg tilgluoner inni protoner.

Man har aldri observerthenfall av protoner, og protonene regnes derfor som stabile partikler.

I en hittil hypotetisk teori som forenerelektromagnetisk,svak ogsterkvekselvirkning, vil protonet i prinsippet være ustabilt. En slik teori kalles for enforent teori. Én måte protonet kan henfalle på i slike teorier er gjennom prosessen

\[p \to e^+ + \pi^0 \]

Her ere⁺ etpositron og π⁰ er et nøytraltpi-meson. Et slikt henfall er ikke tillatt istandardmodellen, sidenbaryontallet ikke er det samme på begge sider av likningen.

Den enkleste teorien av denne typen gir en gjennomsnittlig levetid for protonet på mer enn 10³¹ år,altså et tall med 31 nuller. Dette er en så lang levetid at protoner i praksis kan regnes som helt stabile. En slik levetid innebærer en sannsynlighet for henfall av mindre enn ett proton i året i énkubikkmetervann. Det tyder på at den forente teorien nevnt ovenfor er feil eller ufullstendig.

Siden protoner er stabile partikler, ble de sammen med elektronet tidligere regnet somfundamentale partikler i materie. Målinger av ladningsfordelingen i protonet og av detsmagnetiske egenskaper viste at det likevel har en indre struktur og må oppfattes som et sammensatt system.

Protoner har spinn \(\frac{1}{2} \hbar\) og hver av de tre kvarkene i protonet (to opp- og én ned-kvark) har også spinn\(\frac{1}{2} \hbar\). Spinnene kan peke enten opp eller ned. Derfor ble det frem til 1980-tallet antatt at to av kvarkene peker i samme retning, mens den tredje peker i motsatt retning. Totalt spinn blir da

\[ \frac{1}{2} \hbar + \frac{1}{2} \hbar \;– \frac{1}{2} \hbar = \frac{1}{2} \hbar \]

akkurat slik man observerer eksperimentelt for protonet.

Et eksperiment gjort i 1987 av European Muon Collaboration ved CERN viste at dette overraskende nok ikke er tilfellet. Målingene viste at de individuelle kvarkene i protonet kun utgjør en liten andel av protonets totale spinn. Det resterende spinnet kommer i stedet fra måten kvarkene beveger seg på inni protonet, i tillegg til vekselvirkning mellom kvarkene som gir opphav tilvirtuelle partikler kaltgluoner.

Det forskes i dag på modeller som kan beskrive nøyaktig hvordan spinnet til et proton fordeles på de individuelle kvarkene og deres bevegelse og vekselvirkning.

Antipartikkelen til et proton er etantiproton. Det har like stor masse og spinn som et proton, men har motsatt elektrisk ladning. Når protoner kolliderer med antiprotoner, kan deannihileres, noe som frigjør store mengderenergi.

Antiprotoner ble først oppdaget eksperimentelt i 1955 vedBevatron partikkelakselerator i California. Antiprotoner opptrer naturlig ikosmisk stråling.

Som oppdagere av protonet regnes iblant de tyske fysikerne Eugen Goldstein (1850–1930), som i 1886 påvistekanalstråler av positivehydrogenioner i utladningsrør, ellerWilhelm Wien, som i 1897 bestemte forholdet mellom masse og ladning av disse partiklene.

Som regel tilskrives oppdagelsen av atomet den britiske fysikerenErnest Rutherford, som i 1919 viste at det i vissekjernereaksjoner ble sendt ut partikler med samme egenskaper som de positive hydrogenionene. Han antok at disse partiklene inngikk som byggesteiner i atomkjernene, og foreslo i 1920 å kalle dem forprotoner.

• atom
• nukleon
• nøytron
• antiproton
• kvark
• gluon
• kvantekromodynamikk