How big is Proton?

Un proton este o particulă cu sarcină electrică pozitivă, aflată în nucleul din centrul fiecărui atom. Are aproximativ 1,7 femtometri în diametru, valoare obținută ca dublul razei sale de sarcină, adică raza medie a sarcinii sale electrice. Un femtometru este o milionime dintr-o miliardime de metru (10⁻¹⁵ metri).

Dimensiune

Un proton nu are o suprafață dură. Este un nor format din trei particule mai mici, numite quarcuri, două quarcuri up și un quarc down, ținute laolaltă de forța tare, aceeași forță care leagă protonii și neutronii într-un nucleu. Valoarea recomandată a razei sale de sarcină, indicată de Institutul Național de Standarde și Tehnologie al Statelor Unite (NIST), este de 0,84075 femtometri. Incertitudinea ei este de mai puțin de 1%.

Există două metode principale de a măsura această rază. Una constă în a lansa electroni asupra protonilor și a înregistra cum ricoșează. Cealaltă măsoară lumina emisă de atomii de hidrogen, ale căror niveluri de energie se deplasează foarte puțin pentru că protonul nu este punctiform.

Comparații de dimensiune

Un neutron, partenerul protonului în nucleu, are aproximativ aceeași dimensiune. Măsurate în același fel, prin modul în care este distribuit magnetismul lor, razele lor diferă cu mai puțin de 2%.
Un nucleu de heliu, format din doi protoni și doi neutroni, are aproximativ 3,4 femtometri în diametru, adică de două ori lățimea unui singur proton.
Un atom de hidrogen, format dintr-un proton cu un electron în jurul lui, are aproximativ 0,1 nanometri în diametru, de aproximativ 60.000 de ori lățimea protonului din interiorul lui. Un nanometru este o miliardime de metru.
Dacă un proton ar fi mărit până la dimensiunea unei mingi de baschet, atomul de hidrogen din jurul lui ar avea aproximativ 15 kilometri în diametru.
Aproximativ 60 de miliarde de protoni, puși unul lângă altul, ar acoperi grosimea unui fir de păr uman, care este de aproximativ 0,1 milimetri.

Enigma razei protonului

Înainte de 2010, ambele metode dădeau o rază de aproximativ 0,88 femtometri. În acel an, o echipă de la Institutul Paul Scherrer din Elveția a măsurat atomi de hidrogen în care electronul fusese înlocuit cu un muon. Un muon este asemănător cu un electron, dar de aproximativ 200 de ori mai greu, așa că orbitează mult mai aproape de proton și este mult mai sensibil la dimensiunea protonului. Echipa a obținut 0,84184 femtometri, cu aproximativ 4% mai puțin, o diferență prea mare ca să fie pusă pe seama unei erori de măsurare.

Fizicienii au numit această neconcordanță enigma razei protonului, iar unii au sperat că ea este semnul unei forțe necunoscute a naturii. În 2019, experimentul PRad de la Jefferson Lab din statul american Virginia a raportat un nou tip de măsurătoare prin împrăștierea electronilor, care a dat 0,831 femtometri, în acord cu valoarea mai mică. În 2026, un studiu precis al hidrogenului obișnuit, realizat la Institutul Max Planck de Optică Cuantică din Germania, a fost și el în acord cu valoarea mai mică, iar autorii săi descriu enigma ca rezolvată.

O componentă de bază a fiecărui element

Numărul de protoni dintr-un nucleu stabilește ce element este un atom. Orice atom cu un proton este hidrogen, iar orice atom cu șase protoni este carbon. Un proton are o masă de 1.836 de ori mai mare decât a unui electron, așa că protonii și neutronii din nucleu concentrează aproape toată masa unui atom.