Proton bir atom altı parçacıktır ve sembolü p ya da p+ olarak gösterilir. 1 elementer yüklü pozitif elektrik yüke sahip olan protonun kütlesi bir nötrondan biraz daha azdır. Protonlar ve nötronlar nükleonlar olarak adlandırılırlar. Bir atomun çekirdeğinde her zaman bir veya daha fazla proton bulunur. Çekirdekteki protonların sayısı atom sayısı olarak da adlandırılır. Her bir element bir eşsiz sayıda protona sahip olduğu için, her bir element kendine ait bir atom sayısına sahiptir. Proton ismi 1920 yılında Ernest Rutherford tarafından hidrojen çekirdeğine verilmişti, çünkü önceki yıllarda Rutherford çarpışmalarla azot çekirdeğinden çıkarılan en hafif çekirdeği, hidrojen çekirdeğini keşfetmişti. Böylece proton temel bir parçacık adayı olmuştu. Azot ve tüm diğer ağır atom çekirdeklerinin yapı taşlardan birinin proton olduğunu bulmuştu.
Parçacık fiziğinin Standart Modeli’nde, proton nötron gibi bir hadrondur ve baryonlardan olan üç kuarktan oluşur. Fizik dünyasında bir uzlaşma olmadan önce, proton temel bir parçacık olarak düşünülürdü. Ancak günümüzde, bir protonun iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluştuğu düşünülüyor. Protonlar spinleri 1/2 olan fermiyonlardır ve protonu oluşturan iki yukarı kuark ile bir aşağı kuarkı gluonlar aracılığıyla güçlü kuvvet bir arada tutar. Proton hakkındaki modern kurama göre üç değerlikli kuark, gluonlar ve geçiçi kuark çiftler denizinden oluşmaktadır. Kuarkların durgun kütleleri protonun kütlesinin sadece %1’ine katkıda bulunduğu düşünülmektedir. Proton kütlesinin geri kalanı kuarkların kinetik enerjisi kaynaklıdır ve kuarkları birbirine bağlayan gluon alanlarının enerjisine de bağlanabilir.
Böylece bir temel parçacık olarak düşünmediğimiz protonun yarıçapı yaklaşık 0.84-0.87 femtometredir (1 femtometre 10-15 metredir).
Serbest proton yani nükleonlara veya elektronlara bağlı olmayan proton kararlı bir parçacıktır. Serbest protonlar elektronlardan ayrılmaları için yeterince yüksek enerji veya sıcaklıklar gibi sayısız durumda doğal olarak bulunurlar. Serbest protonlar elektronlarla birlikte olmalarına olanak tanımayacak kadar yüksek sıcaklıklardaki plazmalarda var olurlar. Yüksek enerjili ve hızlı serbest protonlar kozmik ışınların %90’ını oluşturmaktadır – kozmik ışınlar yıldızlararası uzaklıklarda vakumda yayılan radyasyondur. Serbest protonlar bazı nadir görülen radyoaktif bozunma türlerinde atom çekirdeğinden doğrudan yayılabilir. Ayrıca protonlar serbest nötronların radyoaktif bozunmasından kararsız olsa da elektronlar ve antinötrinolarla birlikte oluşabilir.
Yeterince düşük sıcaklıklarda, serbest protonlar elektronlara bağlanacaktır. Ancak, böyle bağlı protonların karakteri değişmez ve onlar protonlar olarak kalırlar. Madde boyunca hareket eden hızlı bir proton elektronlar ve çekirdek ile etkileşerek yavaşlayacaktır, ta ki bir atomun elektron bulutu tarafından yakalana dek. Sonuçta oluşan bir proton atomu olacaktır; hidrojenin kimyasal bir bileşimi. Vakumda serbest elektronlar mevcut olduğunda, yeterince yavaş bir proton tek bir elektronu çekebilir, böylece kimyasal olarak serbest bir radikal olan nötr bir hidrojen atomu haline dönüşür. Böyle “serbest hidrojen atomları” yeterince düşük sıcaklıklarda çoğu diğer atom türüyle kimyasal olarak etkileşme eğilimindedir. Serbest hidrojen atomları diğerleri ile etkileştiğinde, yıldızlararası uzayda moleküler bulutların en yaygın moleküler bileşeni olan nötr hidrojen moleküllerini (H2) oluştururlar. Dünya üzerinde bu tür hidrojen molekülleri proton terapisinde kullanılan hızlandırıcılar için protonların uygun bir kaynağı olarak ve diğer hadron parçacık fiziği deneylerinde protonların hızlandırılması için kullanılmaktadır. Bu konuda akla gelen en önemli deney Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) deneyidir.
Protonun Keşfi
İlk olarak 1815 yılında, William Prout tüm atomların adına protyles dediği hidrojen atomlarından oluştuğunu öne sürmüştü. Bu atomik ağırlıkların ilk değerlerinin basit yorumlanmasına dayanıyordu.
1886 yılında, Eugen Goldstein anot ışınları olarak da bilinen kanal ışınlarını keşfetti ve gazlardan üretilen pozitif yüklü parçacıkların (iyonları) varlığını göstermişti. Ancak, farklı gazlardan parçacıkların yük kütle oranı (e/m) farklı değerlere sahip olduğu için, J. J. Thomson’ın negatif elektronları keşfetmesinin aksine tek bir parçacık olarak tanımlayamadı.
1911 yılında Ernest Rutherford tarafından atom çekirdeğinin keşfedilmesinin ardından Antonius van den Broek periyodik tablodaki her bir elementin yerinin (atom sayısı) kendi nükleer yüküne eşit olduğunu öne sürdü. Bu 1913 yılında Henry Moseley tarafından X-ışını spektrası kullanılmasıyla deneysel olarak onaylandı.
1917-1919 yıllarında Rutherford hidrojen çekirdeğinin diğer çekirdeklerde de var olduğunu kanıtladı. Bu deneyler protonun keşfi olarak sonuçlandı. Rutherford azot gazı üzerine alfa parçacıklarının etkisinin bir ürünü olarak üretilen bir ışıma türü şeklinde hidrojen çekirdeğinin üretilmesini gösterdi. Bu deneyler alfa parçacıklarını hava (çoğunlukla azot) üzerine gönderildiğinde Rutherford’un dikkatini çekmesiyle başlamıştı. Deneyden sonra Rutherford hidrojenin sadece azottan gelebileceğini belirledi ve böylelikle azot hidrojen çekirdeğini içeriyor olmalıydı. Bir hidrojen çekirdeği alfa parçacığının etkisiyle süreç içinde oksijen-17 üreterek ortaya çıkmış olmalıydı. Bu ilk olarak rapor edilen nükleer reaksiyondu: 14N + α → 17O + p. Bu reaksiyon 1925 yılında bir bulut odasında doğrudan gözleniyor olacaktır.