How big is Протон?

Протон — це частинка з додатним електричним зарядом, яка міститься в ядрі в центрі кожного атома. Він має в поперечнику приблизно 1,7 фемтометра. Цю величину отримують як подвоєний зарядовий радіус протона — середній радіус його електричного заряду. Фемтометр — це мільйонна частка мільярдної частки метра (10⁻¹⁵ метра).

Розмір

Протон не має твердої поверхні. Це хмара з трьох менших частинок, які називають кварками: двох u-кварків і одного d-кварка. Їх утримує разом сильна взаємодія — та сама, що зв’язує протони й нейтрони в ядро. Рекомендоване значення зарядового радіуса протона, яке наводить Національний інститут стандартів і технологій США (NIST), становить 0,84075 фемтометра. Невизначеність цього значення — менш ніж 1%.

Є два основні способи його виміряти. В одному електрони спрямовують на протони й записують, як вони відскакують. В іншому вимірюють світло, яке випромінюють атоми водню: їхні енергетичні рівні зміщуються дуже незначно, бо протон не є точкою.

Порівняння розмірів

Нейтрон, партнер протона в ядрі, має приблизно такий самий розмір. Якщо виміряти однаково — за розподілом їхнього магнетизму, — їхні радіуси відрізняються менш ніж на 2%.
Ядро гелію, що складається з двох протонів і двох нейтронів, має в поперечнику приблизно 3,4 фемтометра — удвічі більше за ширину одного протона.
Атом водню, тобто один протон з одним електроном навколо нього, має в поперечнику приблизно 0,1 нанометра — це приблизно у 60 000 разів більше за ширину його протона. Нанометр — це мільярдна частка метра.
Якби протон збільшили до розміру баскетбольного м’яча, атом водню навколо цього протона мав би в поперечнику близько 15 кілометрів.
Приблизно 60 мільярдів протонів, розташованих бік о бік, дорівнювали б за шириною людській волосині, яка завтовшки приблизно 0,1 міліметра.

Загадка радіуса протона

До 2010 року обидва способи давали радіус приблизно 0,88 фемтометра. Того року група вчених Інституту Пауля Шеррера у Швейцарії виміряла атоми водню, в яких електрон замінили мюоном. Мюон схожий на електрон, але приблизно у 200 разів важчий, тому він обертається набагато ближче до протона і значно чутливіший до його розміру. Група отримала 0,84184 фемтометра, приблизно на 4% менше — розбіжність надто велика, щоб пояснити її похибкою вимірювання.

Фізики назвали цю розбіжність загадкою радіуса протона, і дехто сподівався, що це ознака невідомої сили природи. У 2019 році в експерименті PRad у Лабораторії Джефферсона у штаті Вірджинія повідомили про новий тип вимірювання, заснований на розсіянні електронів, яке дало 0,831 фемтометра, що узгоджується з меншим значенням. У 2026 році точне дослідження звичайного водню в Інституті квантової оптики Макса Планка в Німеччині також узгодилося з меншим значенням, а його автори називають загадку розв’язаною.

Будівельний блок кожного елемента

Кількість протонів у ядрі визначає, яким елементом є атом. Кожен атом з одним протоном — це водень, а кожен атом із шістьма — вуглець. Маса протона у 1 836 разів більша за масу електрона, тому протони й нейтрони в ядрі зосереджують майже всю масу атома.