Историја на протонот

„Во науката, веродостојна хипотеза е доволна за да поттикне напредок. Корисна грешка восхитува повеќе од среќна претпоставка“.

Концептот на честичка слична на водородот како составен дел на други атоми постоеше долг период. Уште во 1815 година, Вилијам Проут предложил теорија дека сите атоми се составени од атоми на водород, врз основа на поедноставена интерпретација на раните вредности на атомските тежини, која била отфрлена кога биле измерени со поголема прецизност вредностите на атомите.

Хипотезата на Проут беше обид од почетокот на 19 век да се објасни постоењето на различни хемиски елементи преку хипотеза за внатрешната структура на атомот. Во 1815 и 1816 година, англискиот хемичар Вилијам Проут објавил два труда во кои забележал дека атомските тежини што биле измерени за елементите познати во тоа време изгледале како цели множители на атомската тежина на водородот. Тој потоа претпоставил дека атомот на водород е единствениот вистински фундаментален објект, кој го нарекол протил, и дека атомите на другите елементи всушност биле групирања на различен број на атоми на водород.

Атомските тежини од првите педесет и нешто елементи се чинело дека се множители на цел број од атомската тежина на водородот, па Вилијам Проут се запрашал што ако водород е единствениот фундаментален атом, а други елементи всушност биле групирања на водородни атоми? Но, хипотезата на Проут не можела да ја објасни атомската тежина на хлорот, со атомски број 17, кој е 35,45 пати потежок од водородот. (Тогаш не се знаeше за електрони или неутрони).Тие не знаеле дека примероците на елементите што ги измериле содржеле повеќе изотопи. Но, хипотезата на Проут започна синџир на повнимателни мерења на атомските тежини на елементите.

Во 1886 година, Еуген Голдштајн ги открил анодните зраци и покажал дека се позитивно наелектризирани честички (јони) произведени од гасови. Меѓутоа, бидејќи честичките од различни гасови имале различни вредности на односот полнеж-маса (q/m), тие не можеле да се идентификуваат со една честичка, за разлика од негативните електрони откриени од J. J. Thomson.

Тој забележал дека цевките со катодни зраци со перфорирана катода испуштаат сјај од крајот на цевката во близина на катодата и заклучил дека покрај електроните, или катодните зраци, кои патуваат од негативно наелектризираната катода кон позитивно наелектризираната анода, постои уште еден зрак кој патува во спротивна насока, од анодата кон катодата. Бидејќи овие зраци минуваат низ дупките или каналите во катодата, Голдштајн ги нарекол каналски зраци.

Кога катодата на катодната цевка била перфорирана, Голдштајн забележал зраци што ги нарекол „канални зраци“, кои минувале низ дупките или каналите во катодата за да удрат во стаклените ѕидови на цевката на крајот во близина на катодата. Бидејќи овие зраци на каналот патуваат во спротивна насока од катодните зраци, тие мора да носат спротивен, позитивен полнеж.

Вилхелм Вин во 1898 година го идентификувал водородниот јон како честичка со највисок сооднос полнеж-маса кај јонизираните гасови.Тој го развил Виновиот филтер (познат и како селектор на брзини) во 1898 година за проучување на анодните зраци.Тоа е уред кој се состои од нормално електрични и магнетни полиња што може да се користи како филтер за брзина за наелектризирани честички, на пример во електронски микроскопи и спектрометри. Се користи во масената спектрометрија на забрзувачот за да се изберат честички врз основа на нивната брзина. Уредот е составен од ортогонални електрични и магнетни полиња, така што честичките со правилна брзина нема да бидат засегнати додека другите честички ќе се отклонуваат. Може да се конфигурира како анализатор на енергија на наелектризирани честички, монохроматор или масен спектрометар.

Винов филтер - како селектор на брзини

Додека ги проучуваше струите на јонизиран гас, Вин во 1898 година идентификуваше позитивна честичка еднаква по маса на атомот на водород. Со оваа работа, ја постави основата на масената спектрометрија. Џеј Џеј Томсон го рафинирал апаратот на Вин и извршил дополнителни експерименти во 1913 година, а потоа, по работата на Ернест Радерфорд во 1919 година, честичката на Вин била прифатена и именувана како протон.

Најпознатиот експеримент: На патот на извор од алфа зраци ставил парче од злато и со помош на микроскоп ставен зад површината на металот набљудувал што се случувало со првобитните алфа зраци кои паѓале на површината од златото. Тој забележал дека најголем дел од алфа зраците (позитивни честички) не го смениле својот правец, што имплицирало дека позитивните зраци без проблем поминале низ атомите на злато на металната фолија, а само мал дел од зраците биле одбиени и го смениле правецот.

По откривањето на атомското јадро од страна на Ернест Радерфорд во 1911 година, Антониус ван ден Брук предложил хипотеза дека местото на секој елемент во периодниот систем (неговиот атомски број) е еднакво на неговиот нуклеарен полнеж. Ова беше потврдено експериментално од Хенри Мозли во 1913 година користејќи спектри на Х-зраци.

Во 1917 година, со експерименти (пријавени во 1919 и 1925 година), Радерфорд докажал дека јадрото на водородот е присутно и во други јадра, резултат што обично се опишува како откривање на протони. Овие експерименти започнале откако тој забележал дека кога алфа честичките ќе удрат во воздухот, можело да се открие сцинтилација на екран од цинк сулфид произведен на растојание далеку над растојанието од опсегот на патување на алфа-честичките, но наместо тоа одговара на опсегот на патување на атоми на водородот (протони). По експериментирањето, Радерфорд ја следел реакцијата на азот во воздухот и открил дека кога алфа честичките биле внесени во чист азот-гас, ефектот бил поголем. Во 1919 година, Радерфорд претпоставил дека алфа-честичката само исфрлила протон од азот, претворајќи го во јаглерод. Откако ги набљудувал сликите од комората на Блекет (cloud chamber )во 1925 година, Радерфорд сфатил дека алфа-честичката се апсорбира бидејќи ако алфа-честичката не се апсорбира, тогаш алфа-честичката мора да исфрли протон од азот создавајќи 3 наелектризирани честички (негативно наелектризиран јаглерод, протон, и алфа честичка).

Може да се покаже дека ќе создаде три ленти во комората, но наместо тоа, набљудуваме само 2 ленти во комората. По фаќањето на алфа-честичката, водородното јадро се исфрла, така што резултатот е тежок кислород, а не јаглерод - т.е. атомскиот број Z на јадрото се зголемува наместо да се намалува. Ова беше првата пријавена нуклеарна реакција,

¹⁴N + α → ¹⁷O + р

Радерфорд на почетокот мислел на нашето модерно „p“ во оваа равенка како водороден јон, H+.

Во зависност од нечија перспектива, или 1919 година (кога се гледаше експериментално како изведено од друг извор освен водород) или 1920 година (кога беше препознаена и предложена како елементарна честичка) може да се смета како момент кога протонот е „откриен“.

Радерфорд знаел дека водородот е наједноставниот и најлесниот елемент и бил под влијание на хипотезата на Проут дека водородот е градежен материјал на сите елементи. Откритието дека јадрото на водородот е присутно во други јадра како елементарна честичка го навело Радерфорд да му даде на водородното јадро H+ посебно име како честичка, бидејќи се сомневал дека водородот, најлесниот елемент, содржи само една од овие честички. Овој нов основен градежен блок на јадрото тој го нарекол протон, по среден број еднина од грчкиот збор за „прв“, πρῶτον. Сепак, Радерфорд го имал на ум и зборот protyle како што го користел Проут. Радерфорд зборувал во Британската асоцијација за унапредување на науката на состанокот во Кардиф, кој започна на 24 август 1920 година. На состанокот, беше побарано ново име за позитивното водородно јадро за да се избегне забуна со неутралниот атом на водород. Тој првично предложи и протон и проутон (по Проут). Радерфорд подоцна известил дека состанокот го прифатил неговиот предлог јадрото на водородот да се именува како „протон“, по зборот на Проут „протил“.

Првата употреба на зборот „протон“ во научната литература се појавила во 1920 година.