How big is Proton?

Proton to cząstka o dodatnim ładunku elektrycznym, występująca w jądrze w środku każdego atomu. Ma około 1,7 femtometra średnicy, wyznaczonej jako dwukrotność jego promienia ładunku, czyli średniego promienia jego ładunku elektrycznego. Femtometr to milionowa część miliardowej części metra (10⁻¹⁵ metra).

Rozmiar

Proton nie ma twardej powierzchni. Jest chmurą trzech mniejszych cząstek zwanych kwarkami, dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego, związanych oddziaływaniem silnym, tym samym, które wiąże protony i neutrony w jądro. Zalecana wartość jego promienia ładunku, podana przez amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST), wynosi 0,84075 femtometra. Niepewność tej wartości jest mniejsza niż 1%.

Są dwa główne sposoby pomiaru tego promienia. W jednym strzela się elektronami do protonów i rejestruje, jak się od nich odbijają. W drugim mierzy się światło emitowane przez atomy wodoru, w których poziomy energii przesuwają się bardzo nieznacznie, ponieważ proton nie jest punktem.

Porównania rozmiarów

Neutron, partner protonu w jądrze, ma mniej więcej ten sam rozmiar. Gdy mierzy się je tak samo, na podstawie rozkładu ich magnetyzmu, promienie obu cząstek różnią się o mniej niż 2%.
Jądro helu, zbudowane z dwóch protonów i dwóch neutronów, ma około 3,4 femtometra średnicy, czyli dwukrotnie więcej niż szerokość pojedynczego protonu.
Atom wodoru, czyli jeden proton, wokół którego krąży jeden elektron, ma około 0,1 nanometra średnicy, czyli mniej więcej 60 000 razy więcej niż szerokość jego protonu. Nanometr to miliardowa część metra.
Gdyby proton powiększyć do rozmiarów piłki do koszykówki, otaczający go atom wodoru miałby około 15 kilometrów średnicy.
Około 60 miliardów protonów ułożonych obok siebie zmieściłoby się na szerokości ludzkiego włosa, która wynosi około 0,1 milimetra.

Zagadka promienia protonu

Przed 2010 rokiem obie metody dawały promień około 0,88 femtometra. W tym samym roku zespół z Instytutu Paula Scherrera w Szwajcarii zmierzył atomy wodoru, w których elektron zastąpiono mionem. Mion jest podobny do elektronu, ale około 200 razy cięższy, więc krąży znacznie bliżej protonu i jest o wiele czulszy na rozmiar protonu. Zespół uzyskał 0,84184 femtometra, czyli o około 4% mniej. Taka różnica jest zbyt duża, by złożyć ją na karb błędu pomiaru.

Fizycy nazwali tę rozbieżność zagadką promienia protonu, a niektórzy mieli nadzieję, że jest ona oznaką nieznanej siły przyrody. W 2019 roku naukowcy z eksperymentu PRad w Jefferson Lab w stanie Wirginia donieśli o nowym rodzaju pomiaru rozpraszania elektronów, który dał wynik 0,831 femtometra, zgodny z mniejszą wartością. W 2026 roku precyzyjne badanie zwykłego wodoru w Instytucie Optyki Kwantowej Maxa Plancka w Niemczech również dało wynik zgodny z mniejszą wartością, a jego autorzy opisują zagadkę jako rozwiązaną.

Budulec każdego pierwiastka

Liczba protonów w jądrze decyduje o tym, jakim pierwiastkiem jest atom. Każdy atom z jednym protonem jest wodorem, a każdy z sześcioma jest węglem. Proton ma 1836 razy większą masę niż elektron, więc protony i neutrony w jądrze skupiają prawie całą masę atomu.