מה הגודל של פרוטון?

פרוטון הוא חלקיק בעל מטען חשמלי חיובי, שנמצא בגרעין שבמרכזו של כל אטום. רוחבו כ-1.7 פמטומטרים, והוא נמדד כפעמיים רדיוס המטען שלו, הרדיוס הממוצע של המטען החשמלי שלו. פמטומטר הוא מיליונית ממיליארדית המטר (10⁻¹⁵ מטרים).

גודל

לפרוטון אין משטח קשיח. הוא ענן של שלושה חלקיקים קטנים יותר, הנקראים קווארקים: שני קווארקים מסוג מעלה וקווארק אחד מסוג מטה, המוחזקים יחד בידי הכוח החזק, אותו כוח שקושר פרוטונים ונייטרונים לגרעין. הערך המומלץ לרדיוס המטען שלו, כפי שמפרסם המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של ארצות הברית (NIST), הוא 0.84075 פמטומטרים. אי-הוודאות בו קטנה מ-1%.

יש שתי דרכים עיקריות למדוד את גודלו. האחת היא לירות אלקטרונים על פרוטונים ולתעד כיצד הם ניתזים. השנייה היא למדוד את האור שאטומי מימן פולטים, ורמות האנרגיה שלהם זזות מעט מאוד משום שהפרוטון אינו נקודה.

השוואות גודל

נייטרון, שותפו של הפרוטון בגרעין, הוא בערך באותו גודל. כשמודדים באותה דרך, לפי האופן שבו המגנטיות שלהם מתפזרת, הרדיוסים שלהם נבדלים בפחות מ-2%.
גרעין הליום, המורכב משני פרוטונים ושני נייטרונים, רחב כ-3.4 פמטומטרים, פי שניים מרוחבו של פרוטון בודד.
אטום מימן, פרוטון אחד ואלקטרון אחד סביבו, רחב כ-0.1 ננומטרים, בערך פי 60,000 מרוחבו של הפרוטון שלו. ננומטר הוא מיליארדית המטר.
אילו פרוטון הוגדל לגודל של כדור כדורסל, אטום המימן סביבו היה ברוחב של כ-15 קילומטרים.
כ-60 מיליארד פרוטונים, מסודרים בשורה זה לצד זה, היו משתרעים על פני רוחבה של שערת אדם, שרוחבה כ-0.1 מילימטרים.

חידת רדיוס הפרוטון

לפני 2010 שתי השיטות נתנו רדיוס של כ-0.88 פמטומטרים. באותה שנה מדד צוות במכון פאול שרר בשווייץ אטומי מימן שבהם האלקטרון הוחלף במיואון. מיואון דומה לאלקטרון אך כבד ממנו פי 200 בערך, ולכן הוא מקיף את הפרוטון במרחק קטן בהרבה ורגיש הרבה יותר לגודל הפרוטון. הצוות מצא 0.84184 פמטומטרים, קטן בכ-4%, פער גדול מכדי להסבירו בטעות מדידה.

פיזיקאים כינו את אי-ההסכמה חידת רדיוס הפרוטון, וחלקם קיוו שהיא סימן לכוח טבע לא ידוע. בשנת 2019 דיווחו חוקרי ניסוי PRad, במעבדת ג'פרסון שבווירג'יניה, על מדידה מסוג חדש של פיזור אלקטרונים, שמצאה 0.831 פמטומטרים, בהתאם לערך הקטן יותר. ב-2026 גם מחקר מדויק של מימן רגיל, במכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית שבגרמניה, תאם את הערך הקטן יותר, ומחבריו מתארים את החידה כפתורה.

אבן בניין של כל יסוד

מספר הפרוטונים בגרעין קובע איזה יסוד הוא האטום. כל אטום עם פרוטון אחד הוא מימן, וכל אטום עם שישה פרוטונים הוא פחמן. מסתו של פרוטון גדולה פי 1,836 ממסתו של אלקטרון, ולכן הפרוטונים והנייטרונים בגרעין מחזיקים כמעט את כל מסת האטום.