How big is Protono?

Protono estas partiklo kun pozitiva elektra ŝargo, trovata en la kerno en la centro de ĉiu atomo. Ĝia diametro estas ĉirkaŭ 1,7 femtometroj; oni mezuras ĝin kiel la duoblon de ĝia ŝarga radiuso, la meza radiuso de ĝia elektra ŝargo. Femtometro estas milionono de miliardono de metro (10⁻¹⁵ metroj).

Grando

Protono ne havas malmolan surfacon. Ĝi estas nubo de tri pli malgrandaj partikloj, nomataj kvarkoj, du U-kvarkoj kaj unu D-kvarko, kunligitaj de la forta forto, la sama forto, kiu kunligas protonojn kaj neŭtronojn en kernon. La rekomendita valoro de ĝia ŝarga radiuso, listigita de la usona Nacia Instituto pri Normoj kaj Teknologio (NIST), estas 0,84075 femtometroj. La necerteco estas malpli ol 1 %.

Estas du ĉefaj manieroj mezuri ĝin. Per unu oni pafas elektronojn al protonoj kaj registras, kiel ili resaltas. Per la alia oni mezuras la lumon eligitan de hidrogenaj atomoj, kies energiniveloj ŝoviĝas tre iomete, ĉar la protono ne estas punkto.

Komparoj de grando

Neŭtrono, la partnero de la protono en la kerno, estas ĉirkaŭ same granda. Kiam oni mezuras ilin same, laŭ la disvastiĝo de ilia magnetismo, iliaj radiusoj diferencas je malpli ol 2 %.
Heliuma kerno, farita el du protonoj kaj du neŭtronoj, havas diametron de ĉirkaŭ 3,4 femtometroj, duoble la diametro de unuopa protono.
Hidrogena atomo, unu protono kun unu elektrono ĉirkaŭ ĝi, havas diametron de ĉirkaŭ 0,1 nanometroj, proksimume 60 000 fojojn la diametro de ĝia protono. Nanometro estas miliardono de metro.
Se protono pligrandiĝus ĝis la grando de korbopilko, la hidrogena atomo ĉirkaŭ ĝi havus diametron de ĉirkaŭ 15 kilometroj.
Ĉirkaŭ 60 miliardoj da protonoj, vicigitaj unu apud alia, atingus la dikecon de homa haro, kiu estas ĉirkaŭ 0,1 milimetrojn dika.

La enigmo de la protona radiuso

Antaŭ 2010 ambaŭ metodoj donis radiuson de ĉirkaŭ 0,88 femtometroj. En tiu jaro teamo ĉe la Instituto Paul Scherrer en Svislando mezuris hidrogenajn atomojn, en kiuj la elektrono estis anstataŭigita de muono. Muono similas al elektrono, sed estas ĉirkaŭ 200 fojojn pli peza, tial ĝi orbitas multe pli proksime al la protono kaj estas multe pli sentema al la grando de la protono. La teamo trovis radiuson de 0,84184 femtometroj, ĉirkaŭ 4 % pli malgrandan, diferencon tro grandan por esti klarigebla per mezureraro.

Fizikistoj nomis la malkonsenton la enigmo de la protona radiuso, kaj iuj esperis, ke ĝi estas signo de nekonata forto de la naturo. En 2019 la eksperimento PRad ĉe Jefferson Lab en la usona ŝtato Virginio raportis novspecan mezuron per disvastigo de elektronoj, kiu donis 0,831 femtometrojn, konforme al la pli malgranda valoro. En 2026 ankaŭ preciza studo de ordinara hidrogeno ĉe la Instituto Max Planck pri Kvantuma Optiko en Germanio konsentis kun la pli malgranda valoro, kaj ĝiaj aŭtoroj priskribas la enigmon kiel solvitan.

Konstrubriko de ĉiu elemento

Kiu elemento estas atomo, tion decidas la nombro da protonoj en ĝia kerno. Ĉiu atomo kun unu protono estas hidrogeno, kaj ĉiu atomo kun ses estas karbono. Protono havas 1 836 fojojn la mason de elektrono, tial la protonoj kaj neŭtronoj en la kerno enhavas preskaŭ la tutan mason de atomo.