ما حجم بروتون؟

البروتون جسيم ذو شحنة كهربائية موجبة، يوجد في النواة التي في مركز كل ذرة. يبلغ قطره نحو 1.7 فمتومتر، ويُقاس بوصفه ضعف نصف قطر شحنته، وهو متوسط نصف قطر شحنته الكهربائية. والفمتومتر جزء من مليون من جزء من مليار من المتر (10⁻¹⁵ متر).

الحجم

ليس للبروتون سطح صلب. إنه سحابة من ثلاثة جسيمات أصغر تسمى الكواركات، هي كواركان علويان وكوارك سفلي واحد، تربطها القوة الشديدة، وهي القوة نفسها التي تربط البروتونات والنيوترونات معًا في النواة. والقيمة الموصى بها لنصف قطر شحنته، كما يدرجها المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية (NIST)، هي 0.84075 فمتومتر. وعدم اليقين في هذه القيمة أقل من 1%.

هناك طريقتان رئيسيتان لقياسه. تقوم إحداهما على إطلاق إلكترونات على البروتونات وتسجيل كيفية ارتدادها عنها. وتقيس الأخرى الضوء الصادر عن ذرات الهيدروجين، التي تنزاح مستويات طاقتها انزياحًا طفيفًا جدًا لأن البروتون ليس نقطة.

مقارنات الحجم

النيوترون، شريك البروتون في النواة، له الحجم نفسه تقريبًا. وعند قياسهما بالطريقة نفسها، أي بحسب توزع مغناطيسيتهما، يختلف نصفا قطريهما بأقل من 2%.
نواة الهيليوم، المؤلفة من بروتونين ونيوترونين، يبلغ قطرها نحو 3.4 فمتومتر، أي ضعف عرض بروتون واحد.
ذرة الهيدروجين، المكوّنة من بروتون واحد يحيط به إلكترون واحد، يبلغ قطرها نحو 0.1 نانومتر، أي ما يقارب 60,000 مرة عرض بروتونها. والنانومتر جزء من مليار من المتر.
لو جرى تكبير البروتون إلى حجم كرة السلة، لبلغ قطر ذرة الهيدروجين المحيطة به نحو 15 كيلومترًا.
لو وُضع نحو 60 مليار بروتون جنبًا إلى جنب لامتدّت على عرض شعرة الإنسان، وهو نحو 0.1 مليمتر.

لغز نصف قطر البروتون

قبل عام 2010، أعطت الطريقتان نصف قطر يبلغ نحو 0.88 فمتومتر. وفي ذلك العام قاس فريق في معهد بول شيرر في سويسرا ذرات هيدروجين حلّ فيها ميون محل الإلكترون. والميون يشبه الإلكترون، لكن كتلته نحو 200 ضعف كتلة الإلكترون، ولذلك يدور أقرب بكثير إلى البروتون ويكون أشد حساسية بكثير لحجمه. ووجد الفريق القيمة 0.84184 فمتومتر، أي أصغر بنحو 4%، وهو فرق أكبر من أن يُعزى إلى خطأ في القياس.

سمّى الفيزيائيون هذا التباين لغز نصف قطر البروتون، وتمنى بعضهم أن يكون علامة على قوة مجهولة في الطبيعة. وفي عام 2019 أفادت تجربة PRad في مختبر جيفرسون في ولاية فرجينيا الأمريكية بقياس جديد من نوع تشتت الإلكترونات وجد القيمة 0.831 فمتومتر، وهي متوافقة مع القيمة الأصغر. وفي عام 2026 اتفقت معها أيضًا نتيجة دراسة دقيقة للهيدروجين العادي أُجريت في معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في ألمانيا، ويصف مؤلفوها اللغز بأنه قد حُلّ.

لبنة من لبنات كل عنصر

عدد البروتونات في النواة هو ما يحدد العنصر الذي تنتمي إليه الذرة. فكل ذرة فيها بروتون واحد هي هيدروجين، وكل ذرة فيها ستة بروتونات هي كربون. وتبلغ كتلة البروتون 1,836 مرة كتلة الإلكترون، ولذلك تحمل البروتونات والنيوترونات في النواة ما يقارب كتلة الذرة كلها.