Proton là gì? Các bài nghiên cứu khoa học về Proton

Định nghĩa và bản chất của proton

Proton là một hạt hạ nguyên tử mang điện tích dương, đóng vai trò cấu thành hạt nhân nguyên tử cùng với neutron. Nó là một trong ba hạt chính tạo nên vật chất thông thường, cùng với electron và neutron. Điện tích của proton có giá trị bằng với electron nhưng trái dấu, là $+1.602 \times 10^{-19} \, \text{C}$.

Về mặt cấu trúc, proton không phải là hạt cơ bản mà là một hạt composite thuộc nhóm baryon. Nó được cấu tạo từ ba quark – hai quark lên (up quark) và một quark xuống (down quark), liên kết với nhau bằng gluon thông qua tương tác mạnh. Spin của proton bằng $1/2$, phản ánh bản chất fermion của nó.

Một số thông số cơ bản của proton:

Đại lượng	Giá trị	Đơn vị
Khối lượng	$1.6726 \times 10^{-27}$	kg
Điện tích	$+1.602 \times 10^{-19}$	Coulomb
Spin	$1/2$	ħ
Thành phần quark	uud	–

[CERN]

Lịch sử khám phá proton

Proton được xác định là một hạt riêng biệt vào năm 1917 bởi Ernest Rutherford. Trong một loạt thí nghiệm, ông đã bắn hạt alpha vào khí nitơ và phát hiện ra các hạt mang điện tích dương được phát ra – sau này được xác định là hạt nhân hydro. Đây là lần đầu tiên proton được nhận dạng như một cấu phần độc lập của nguyên tử.

Phát hiện này là bước ngoặt trong lý thuyết nguyên tử, cho thấy nguyên tử có cấu trúc hạt nhân chứa proton. Mô hình nguyên tử của Rutherford mở đường cho mô hình Bohr sau đó, và việc hiểu rõ vai trò của proton đã góp phần xây dựng nền tảng cho cơ học lượng tử và hóa học nguyên tử hiện đại.

Trước đó, nhà khoa học William Prout đã từng giả thuyết rằng tất cả nguyên tử đều được cấu tạo từ nguyên tử hydro, nhưng thiếu bằng chứng thực nghiệm. Phát hiện của Rutherford đã cung cấp cơ sở vật lý để xác nhận giả thuyết này ở cấp độ hạt nhân. [Nature Archive]

Cấu trúc nội tại của proton

Proton không phải là hạt điểm mà có cấu trúc phức tạp ở cấp độ hạ hạt. Mô hình chuẩn của vật lý hạt cho thấy proton được tạo nên từ ba quark cơ bản – hai quark lên (u) và một quark xuống (d). Các quark này được gắn kết chặt chẽ bằng gluon – boson trung gian của tương tác mạnh, hoạt động theo cơ chế của sắc động lực học lượng tử (QCD).

Ngoài ba quark “valence”, proton còn chứa một “biển” các quark-ảo và gluon luôn biến đổi bên trong. Các nghiên cứu tán xạ sâu không đàn hồi (Deep Inelastic Scattering – DIS) đã chứng minh rằng phần lớn khối lượng và động lượng của proton không đến từ ba quark chính, mà đến từ năng lượng liên kết trong trường gluon.

Cấu trúc bên trong của proton thường được mô tả qua các hàm phân bố parton (PDF – Parton Distribution Functions), giúp xác định xác suất tìm thấy một quark hoặc gluon mang một phần năng lượng nhất định của proton trong quá trình va chạm năng lượng cao. [Brookhaven RHIC]

Vai trò của proton trong nguyên tử

Proton quyết định số hiệu nguyên tử (Z), tức là số lượng proton trong hạt nhân sẽ xác định nguyên tố đó là gì. Ví dụ, một nguyên tử có 1 proton là hydro, 6 proton là carbon, 8 proton là oxy. Vì proton mang điện tích dương, nên nó cũng cân bằng với số electron mang điện âm để tạo thành nguyên tử trung hòa.

Trong hạt nhân, proton cùng với neutron tạo thành nucleon. Dù đều mang điện tích dương, proton trong hạt nhân không đẩy nhau văng ra nhờ có lực hạt nhân mạnh (strong nuclear force) giữ chặt chúng lại. Lực này chỉ hoạt động hiệu quả ở khoảng cách rất ngắn, vượt qua được lực đẩy Coulomb giữa các proton.

Việc thay đổi số proton trong hạt nhân nguyên tử sẽ làm thay đổi nguyên tố – điều này xảy ra trong các phản ứng hạt nhân như phân rã beta hoặc phản ứng tổng hợp. Ngược lại, thay đổi số neutron tạo ra các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố. [Chemguide]

Khối lượng, kích thước và tính chất vật lý

Proton có khối lượng xấp xỉ $1.6726 \times 10^{-27} \, \text{kg}$, lớn hơn electron khoảng 1836 lần. Dù là hạt có kích thước rất nhỏ, proton vẫn có cấu trúc mở rộng với bán kính đo được vào khoảng 0.84 đến 0.88 femtomet (1 fm = $10^{-15}$ m).

Một vấn đề thú vị liên quan đến proton là “bài toán bán kính proton” (proton radius puzzle), xuất phát từ sự sai khác giữa kết quả đo bán kính bằng phổ học hydrogen và tán xạ electron. Một số phép đo sử dụng hydrogen muonic đã cho kết quả nhỏ hơn so với giá trị chuẩn trước đây, làm dấy lên nghi ngờ về các giả định cơ bản trong mô hình lượng tử. [Nature – Proton Radius Puzzle]

Bảng dưới đây tóm tắt một số tính chất cơ bản:

Tính chất	Giá trị	Đơn vị
Khối lượng	$1.6726 \times 10^{-27}$	kg
Điện tích	$+1.602 \times 10^{-19}$	Coulomb
Spin	$1/2$	ħ
Bán kính	0.84 – 0.88	fm

Proton và tương tác cơ bản

Proton tham gia vào ba trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên: lực mạnh (giữ các quark với nhau bên trong proton), lực điện từ (do mang điện tích dương), và lực yếu (liên quan đến phân rã hạt nhân). Lực hấp dẫn có ảnh hưởng rất nhỏ ở cấp độ hạt nên thường được bỏ qua trong vật lý hạt.

Trong phản ứng phân rã beta dương ($\beta^+$), proton có thể chuyển thành neutron: $p \rightarrow n + e^+ + \nu_e$ Phản ứng này minh họa vai trò của lực yếu, nơi một quark lên chuyển thành quark xuống thông qua sự phát xạ boson W⁺. Đây là cơ chế chính giúp duy trì cân bằng proton-neutron trong các hạt nhân không ổn định. [Particle Data Group]

Tương tác mạnh giữ các quark bên trong proton được truyền bởi gluon, và có cường độ lớn gấp hàng trăm lần lực điện từ ở khoảng cách hạ nguyên tử. Tính chất "giam giữ màu" (color confinement) của lực mạnh khiến các quark không bao giờ tồn tại tự do, mà luôn kết hợp thành proton, neutron hoặc các hadron khác.

Proton trong các phản ứng hạt nhân và tổng hợp

Trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân như trong lõi mặt trời, các proton va chạm và kết hợp để tạo ra các hạt nhân nặng hơn như heli, đồng thời giải phóng năng lượng lớn. Chuỗi proton-proton (pp-chain) là cơ chế chính trong quá trình tạo năng lượng của các sao chính dãy: $p + p \rightarrow d + e^+ + \nu_e$

Ngược lại, trong phản ứng phân hạch, proton không trực tiếp tham gia phân tách hạt nhân mà đóng vai trò cân bằng điện tích và ảnh hưởng đến tính ổn định hạt nhân. Các proton trong máy gia tốc như tại CERN được gia tốc tới tốc độ gần ánh sáng để nghiên cứu vật lý năng lượng cao, khám phá các hạt và lực cơ bản. [CERN ATLAS Experiment]

Các phản ứng proton-proton trong vật lý thiên văn và công nghệ nhiệt hạch là nền tảng để thiết kế các lò phản ứng nhiệt hạch tương lai, với mục tiêu tái tạo nguồn năng lượng sao trên Trái Đất mà không sinh khí thải hoặc chất thải phóng xạ dài hạn như phân hạch.

Vai trò của proton trong y học và công nghệ

Một trong những ứng dụng y học nổi bật của proton là liệu pháp proton (proton therapy), một kỹ thuật điều trị ung thư sử dụng chùm proton năng lượng cao để tiêu diệt khối u. Khác với tia X truyền thống, proton giải phóng phần lớn năng lượng tại một điểm gọi là “đỉnh Bragg”, giúp giảm tổn thương mô lành.

Các bệnh nhân ung thư ở vùng nhạy cảm như não, cột sống, trẻ em đặc biệt có lợi từ liệu pháp proton vì nó cho phép điều trị chính xác mà ít tác dụng phụ hơn. Hiện nay, nhiều trung tâm ung thư lớn trên thế giới đã triển khai công nghệ này. [MD Anderson – Proton Therapy]

Ngoài ra, proton còn được sử dụng trong công nghệ như:

• Phân tích thành phần vật liệu bằng phổ proton.
• Khởi tạo neutron trong nguồn neutron spallation.
• Hiệu chuẩn thiết bị y học hạt nhân.
• Gia tốc trong các thiết bị nghiên cứu hạt năng lượng cao.

Proton và mô hình chuẩn

Trong mô hình chuẩn của vật lý hạt, proton là một hadron thuộc nhóm baryon. Dù không phải là hạt cơ bản, nó đóng vai trò trung tâm trong việc kiểm tra các lý thuyết về cấu trúc vật chất và tương tác mạnh. Các nghiên cứu về proton cũng góp phần phát triển QCD – lý thuyết mô tả hành vi của quark và gluon.

Một chủ đề quan trọng là phân rã proton, vốn không được dự đoán trong mô hình chuẩn nhưng lại xuất hiện trong các mô hình thống nhất lớn (GUT – Grand Unified Theories). Theo một số lý thuyết, proton có thể phân rã thành positron và pion trung hòa: $p \rightarrow e^+ + \pi^0$

Tuy nhiên, cho đến nay chưa có bằng chứng thực nghiệm xác nhận sự phân rã này. Các thí nghiệm như Super-Kamiokande đặt giới hạn tuổi thọ của proton lên đến $10^{34}$ năm, cho thấy proton là một trong những hạt ổn định nhất từng biết. [Super-Kamiokande]

Tài liệu tham khảo

1. CERN. The Proton. https://home.cern/science/physics/proton
2. Nature. Rutherford’s Discovery. https://www.nature.com/articles/101037a0
3. Brookhaven National Laboratory. RHIC Science. https://www.bnl.gov/rhic/science.asp
4. Chemguide. Atomic Properties. https://www.chemguide.co.uk/atoms/properties/properties.html
5. Nature. Proton Radius Puzzle. https://www.nature.com/articles/nature20104
6. Particle Data Group. https://pdg.lbl.gov/
7. CERN ATLAS Experiment. https://home.cern/science/experiments/atlas
8. MD Anderson Cancer Center. Proton Therapy. https://www.mdanderson.org/cancerwise/what-is-proton-therapy--how-it-works.h00-159380981.html
9. Super-Kamiokande Experiment. https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/