Jedro sestavljajo protoni, nevtroni. V Bohrovem modelu se elektroni gibljejo okoli jedra po krožnih orbitah, kot se Zemlja vrti okoli Sonca. Elektroni se lahko premikajo med temi ravnmi, in ko se to zgodi, bodisi absorbirajo foton ali oddajajo foton. Kakšna je velikost protona in kakšna je?
Glavni gradnik vidnega vesolja
Proton je osnovni gradnik vidnega vesolja, vendar številne njegove lastnosti, kot sta polmer naboja in njegov anomalni magnetni moment, niso dobro razumljene. Kaj je proton? Je subatomski delec s pozitivnim električnim nabojem. Do nedavnega je proton veljal za najmanjši delec. Zahvaljujoč novim tehnologijam pa je postalo znano, da protoni vključujejo še manjše elemente, delce, imenovane kvarki, prave temeljne delce snovi. Proton lahko nastane kot posledica nestabilnega nevtrona.
Zaračunavanje
Kakšen električni naboj ima proton? onima naboj +1 elementarni naboj, ki je označen s črko "e" in ga je leta 1874 odkril George Stoney. Medtem ko ima proton pozitiven naboj (ali 1e), ima elektron negativen naboj (-1 ali -e), nevtron pa sploh nima naboja in ga lahko označimo z 0e. 1 elementarni naboj je enak 1,602 × 10 -19 kulonov. Kulon je vrsta enote električnega naboja in je enakovreden enemu amperu, ki se enakomerno prenaša na sekundo.
Kaj je proton?
Vse, česar se lahko dotaknete in občutite, je narejeno iz atomov. Velikost teh drobnih delcev v središču atoma je zelo majhna. Čeprav predstavljajo večino teže atoma, so še vedno zelo majhni. Pravzaprav, če bi bil atom velik kot nogometno igrišče, bi bil vsak njegov proton velik le mravlje. Protoni ne smejo biti omejeni na jedra atomov. Ko so protoni zunaj atomskih jeder, prevzamejo očarljive, bizarne in potencialno nevarne lastnosti, podobne tistim nevtronov v podobnih okoliščinah.
Toda protoni imajo dodatno lastnost. Ker nosijo električni naboj, jih lahko pospešujejo električna ali magnetna polja. Hitri protoni in atomska jedra, ki jih vsebujejo, se med sončnimi izbruhi sprostijo v velikih količinah. Zemljino magnetno polje pospešuje delce, kar povzroča motnje ionosfere, znane kot geomagnetne nevihte.
Število protonov, velikost in masa
Število protonov naredi vsak atom edinstven. Kisik jih ima na primer osem, vodik le enega, zlato pa kar 79. To število je podobno identiteti elementa. O atomu se lahko veliko naučite samo s poznavanjem števila njegovih protonov. Ta subatomski delec, ki ga najdemo v jedru vsakega atoma, ima pozitiven električni naboj, enak in nasproten elektronu elementa. Če bi ga izolirali, bi imela maso le približno 1,673-27 kg, malo manj kot masa nevtrona.
Število protonov v jedru elementa se imenuje atomsko število. Ta številka daje vsakemu elementu svojo edinstveno identiteto. V atomih katerega koli elementa je število protonov v jedrih vedno enako. Preprost vodikov atom ima jedro, ki je sestavljeno iz samo 1 protona. Jedra vseh drugih elementov skoraj vedno vsebujejo nevtrone poleg protonov.
Kako velik je proton?
Nihče ne ve zagotovo, in to je problem. Poskusi so uporabili modificirane atome vodika, da bi dobili velikost protona. To je subatomska skrivnost z velikimi posledicami. Šest let po tem, ko so fiziki objavili, da je meritev velikosti protona premajhna, znanstveniki še vedno niso prepričani o pravi velikosti. Ko se pojavi več podatkov, se skrivnost poglablja.
Protoni so delci v jedru atomov. Dolga leta se je zdelo, da je polmer protona fiksiran na približno 0,877 femtometra. Toda leta 2010 je Randolph Paul z Inštituta za Quantumoptika jih. Max Planck v Garchingu v Nemčiji je prejel zaskrbljujoč odziv z uporabo nove merilne tehnike.
Ekipa je spremenila sestavo enega protona in enega elektrona atoma vodika s preklopom elektrona na težji delec, imenovan mion. Ta spremenjeni atom so nato zamenjali z laserjem. Merjenje nastale spremembe njihovih energijskih nivojev jim je omogočilo izračun velikosti njegovega protonskega jedra. Na njihovo presenečenje se je izkazalo za 4 % manj od tradicionalne vrednosti, merjene z drugimi sredstvi. Randolphov eksperiment je novo tehniko uporabil tudi za devterij – izotop vodika, ki ima v jedru en proton in en nevtron, skupno znano kot devteron. Vendar je trajalo veliko časa, da smo natančno izračunali velikost devterona.
Novi poskusi
Novi podatki kažejo, da težava s protonskim polmerom še vedno obstaja. Še nekaj poskusov v laboratoriju Randolpha Paula in drugih je že v teku. Nekateri uporabljajo isto mionsko tehniko za merjenje velikosti težjih atomskih jeder, kot je helij. Drugi hkrati merijo sipanje mionov in elektronov. Paul sumi, da krivec morda ni sam proton, ampak napačna meritev Rydbergove konstante, števila, ki opisuje valovne dolžine svetlobe, ki jo oddaja vzbujeni atom. Toda ta konstanta je dobro znana z drugimi natančnimi poskusi.
Druga razlaga predlaga nove delce, ki povzročajo nepričakovane interakcije med protonom in mionom, ne da bi spremenili njegovo vez z elektronom. To bi lahko pomenilo, da nas uganka popelje onkraj standardnega modela fizike.delci. »Če nekdo v prihodnosti odkrije nekaj, kar presega standardni model, bo to to,« pravi Paul s prvim majhnim odstopanjem, nato drugim in drugim, kar počasi ustvarja bolj monumentalni premik. Kakšna je resnična velikost protona? Novi rezultati izpodbijajo osnovno teorijo fizike.
Z izračunom vpliva protonskega polmera na pot leta so raziskovalci lahko ocenili polmer protonskega delca, ki je znašal 0,84184 femtometra. Prej je bil ta kazalnik okoli 0,8768 do 0,897 femtometra. Ko upoštevamo tako majhne količine, je vedno prostor za napake. Vendar so člani ekipe po 12 letih trdega truda prepričani v točnost svojih meritev. Teorija bo morda potrebovala nekaj prilagoditev, toda ne glede na odgovor se bodo fiziki še dolgo praskali po glavi ob tej zastrašujoči nalogi.
