How big is Proton?

Een proton is een deeltje met een positieve elektrische lading, dat in de kern in het midden van elk atoom zit. Het is ongeveer 1,7 femtometer breed, gemeten als twee keer zijn ladingsstraal, de gemiddelde straal van zijn elektrische lading. Een femtometer is een miljoenste van een miljardste van een meter (10⁻¹⁵ meter).

Grootte

Een proton heeft geen hard oppervlak. Het is een wolk van drie kleinere deeltjes, quarks genoemd: twee upquarks en één downquark, bij elkaar gehouden door de sterke kracht, dezelfde kracht die protonen en neutronen in een atoomkern bindt. De aanbevolen waarde van de ladingsstraal, vermeld door het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST), is 0,84075 femtometer. Die waarde heeft een onzekerheid van minder dan 1%.

Er zijn twee hoofdmanieren om de ladingsstraal te meten. Bij de ene worden elektronen op protonen afgevuurd en wordt vastgelegd hoe ze wegkaatsen. Bij de andere wordt het licht gemeten dat waterstofatomen uitzenden, waarvan de energieniveaus heel licht verschuiven doordat het proton geen punt is.

Groottevergelijkingen

Een neutron, de partner van het proton in de kern, is ongeveer even groot. Op dezelfde manier gemeten, aan de hand van hoe hun magnetisme is verdeeld, verschillen hun stralen minder dan 2%.
Een heliumkern, opgebouwd uit twee protonen en twee neutronen, is ongeveer 3,4 femtometer breed, twee keer de breedte van één proton.
Een waterstofatoom, één proton met één elektron eromheen, is ongeveer 0,1 nanometer breed, zo'n 60.000 keer de breedte van zijn proton. Een nanometer is een miljardste van een meter.
Als een proton werd vergroot tot de grootte van een basketbal, zou het waterstofatoom eromheen ongeveer 15 kilometer breed zijn.
Ongeveer 60 miljard protonen, naast elkaar, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan, ongeveer 0,1 millimeter.

Het raadsel van de protonstraal

Vóór 2010 gaven beide methoden een straal van ongeveer 0,88 femtometer. Dat jaar mat een team van het Paul Scherrer Institut in Zwitserland waterstofatomen waarin het elektron was vervangen door een muon. Een muon lijkt op een elektron, maar is ongeveer 200 keer zo zwaar. Daarom draait het veel dichter om het proton en is het veel gevoeliger voor de grootte van het proton. Het team vond 0,84184 femtometer, ongeveer 4% kleiner, een verschil dat te groot was om aan een meetfout toe te schrijven.

Natuurkundigen noemden de tegenstrijdigheid het raadsel van de protonstraal en sommigen hoopten dat het een teken was van een onbekende natuurkracht. In 2019 meldde het PRad-experiment bij Jefferson Lab in de Amerikaanse staat Virginia een nieuw soort meting van elektronenverstrooiing, die 0,831 femtometer opleverde, in overeenstemming met de kleinere waarde. In 2026 kwam ook een nauwkeurige studie van gewoon waterstof aan het Max Planck Instituut voor Kwantumoptica in Duitsland met de kleinere waarde overeen, en de auteurs van de studie beschrijven het raadsel als opgelost.

Een bouwsteen van elk element

Het aantal protonen in een atoomkern bepaalt welk element een atoom is. Elk atoom met één proton is waterstof en elk atoom met zes protonen is koolstof. Een proton heeft 1.836 keer de massa van een elektron, dus de protonen en neutronen in de kern dragen bijna de hele massa van een atoom.