How big is Próton?

Um próton é uma partícula com carga elétrica positiva, encontrada no núcleo, no centro de todo átomo. Tem cerca de 1,7 femtômetros de largura, medido como o dobro de seu raio de carga, o raio médio de sua carga elétrica. Um femtômetro é um milionésimo de um bilionésimo de metro (10⁻¹⁵ metros).

Tamanho

Um próton não tem superfície rígida. Ele é uma nuvem de três partículas menores chamadas quarks, dois quarks up e um quark down, mantidas unidas pela força forte, a mesma força que une prótons e nêutrons em um núcleo. O valor recomendado de seu raio de carga, listado pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST), é de 0,84075 femtômetro. Sua incerteza é de menos de 1%.

Há duas maneiras principais de medi-lo. Uma delas dispara elétrons contra prótons e registra como eles ricocheteiam. A outra mede a luz emitida por átomos de hidrogênio, cujos níveis de energia mudam muito ligeiramente porque o próton não é um ponto.

Comparações de tamanho

Um nêutron, o parceiro do próton no núcleo, tem cerca do mesmo tamanho. Medidos da mesma forma, pela distribuição de seu magnetismo, seus raios diferem em menos de 2%.
Um núcleo de hélio, formado por dois prótons e dois nêutrons, tem cerca de 3,4 femtômetros de largura, o dobro da largura de um único próton.
Um átomo de hidrogênio, um próton com um elétron ao redor, tem cerca de 0,1 nanômetro de largura, cerca de 60.000 vezes a largura de seu próton. Um nanômetro é um bilionésimo de metro.
Se um próton fosse ampliado ao tamanho de uma bola de basquete, o átomo de hidrogênio ao seu redor teria cerca de 15 quilômetros de largura.
Cerca de 60 bilhões de prótons colocados lado a lado cobririam a largura de um fio de cabelo humano, cerca de 0,1 milímetro.

O enigma do raio do próton

Antes de 2010, os dois métodos davam um raio de cerca de 0,88 femtômetro. Naquele ano, uma equipe do Instituto Paul Scherrer, na Suíça, mediu átomos de hidrogênio nos quais o elétron havia sido substituído por um múon. Um múon é parecido com um elétron, mas cerca de 200 vezes mais pesado, por isso orbita muito mais perto do próton e é bem mais sensível ao seu tamanho. A equipe encontrou 0,84184 femtômetro, cerca de 4% menor, uma diferença grande demais para ser atribuída a erro de medição.

Os físicos chamaram essa divergência de enigma do raio do próton, e alguns esperavam que fosse um sinal de uma força da natureza ainda desconhecida. Em 2019, o experimento PRad, no Jefferson Lab, na Virgínia, relatou um novo tipo de medição por espalhamento de elétrons, que encontrou 0,831 femtômetro, condizente com o valor menor. Em 2026, um estudo preciso do hidrogênio comum feito no Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, também concordou com esse valor, e seus autores descrevem o enigma como resolvido.

Um bloco de construção de cada elemento

O número de prótons em um núcleo determina de que elemento se trata o átomo. Todo átomo com um próton é hidrogênio, e todo átomo com seis é carbono. Um próton tem 1.836 vezes a massa de um elétron, de modo que os prótons e os nêutrons do núcleo concentram quase toda a massa de um átomo.