How big is Prooton?

Prooton on positiivse elektrilaenguga osake, mida leidub iga aatomi keskmes asuvas tuumas. Selle läbimõõt on umbes 1,7 femtomeetrit, mõõdetuna laengu raadiuse kahekordsena; laengu raadius on selle elektrilaengu keskmine raadius. Femtomeeter on miljondik meetri miljardikust (10⁻¹⁵ meetrit).

Suurus

Prootonil pole kõva pinda. See on pilv, mis koosneb kolmest väiksemast osakesest, mida nimetatakse kvarkideks: kaks u-kvarki ja üks d-kvark. Neid hoiab koos tugev vastastikmõju, sama jõud, mis seob prootonid ja neutronid tuumaks. Laengu raadiuse soovitatav väärtus, mille on esitanud Ameerika Ühendriikide riiklik standardite ja tehnoloogia instituut (NIST), on 0,84075 femtomeetrit. Selle määramatus on alla 1%.

Prootoni raadiust saab mõõta kahel peamisel viisil. Esimesel tulistatakse prootonite pihta elektrone ja registreeritakse, kuidas need tagasi põrkavad. Teisel mõõdetakse vesiniku aatomite kiiratavat valgust: aatomite energiatasemed nihkuvad väga veidi, sest prooton ei ole punkt.

Suuruste võrdlused

Neutron, prootoni paariline tuumas, on umbes sama suur. Samal viisil ehk magnetismi jaotuse järgi mõõdetuna erinevad nende raadiused alla 2% võrra.
Heeliumi tuum, mis koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist, on umbes 3,4 femtomeetrit läbimõõdus, see on kaks korda nii lai kui üksik prooton.
Vesiniku aatom, mis koosneb ühest prootonist ja selle ümber olevast elektronist, on umbes 0,1 nanomeetrit läbimõõdus, ligikaudu 60 000 korda nii lai kui aatomi prooton. Nanomeeter on meetri miljardik.
Kui prooton oleks suurendatud korvpalli suuruseks, oleks selle ümber olev vesiniku aatom umbes 15 kilomeetri läbimõõduga.
Umbes 60 miljardit prootonit, kõrvuti asetatud, ulatuksid inimese juuksekarva laiuseni, mis on umbes 0,1 millimeetrit.

Prootoni raadiuse mõistatus

Enne 2010. aastat andsid mõlemad meetodid raadiuseks umbes 0,88 femtomeetrit. Samal aastal mõõtis Šveitsi Paul Scherreri Instituudi töörühm vesiniku aatomeid, milles elektron oli asendatud müüoniga. Müüon on elektroni sarnane, kuid umbes 200 korda raskem, seega tiirleb see prootonile palju lähemal ja on prootoni suuruse suhtes palju tundlikum. Töörühm sai tulemuseks 0,84184 femtomeetrit, umbes 4% vähem. See vahe oli liiga suur, et seda mõõtmisveaga seletada.

Füüsikud nimetasid lahknevust prootoni raadiuse mõistatuseks ja mõned lootsid, et see viitab tundmatule loodusjõule. 2019. aastal teatas USA Virginia osariigis asuva Jefferson Labi katse PRad uut liiki elektronide hajumise mõõtmisest, mille tulemus oli 0,831 femtomeetrit, kooskõlas väiksema väärtusega. 2026. aastal oli ka Saksamaal Max Plancki kvantoptika instituudis tehtud täpne tavalise vesiniku uuring sellega kooskõlas ning uuringu autorid nimetavad mõistatuse lahendatuks.

Iga elemendi ehitusosa

Prootonite arv tuumas määrab, mis element aatom on. Iga aatom, milles on üks prooton, on vesinik, ja iga aatom, milles on kuus, on süsinik. Prootoni mass on 1 836 korda suurem kui elektroni mass, seega on tuuma prootonitel ja neutronitel peaaegu kogu aatomi mass.