Az atommag protonokból, neutronokból áll. Bohr modelljében az elektronok körkörös pályán mozognak az atommag körül, akárcsak a Föld a Nap körül. Az elektronok mozoghatnak e szintek között, és amikor megteszik, vagy elnyelik a fotont, vagy kibocsátanak egy fotont. Mekkora a proton mérete és mi az?
A látható Univerzum fő építőköve
A proton a látható univerzum alapvető építőköve, de számos tulajdonsága, mint például a töltési sugara és a rendellenes mágneses momentum, nem teljesen ismert. Mi az a proton? Ez egy szubatomi részecske pozitív elektromos töltéssel. Egészen a közelmúltig a protont a legkisebb részecskének tekintették. Az új technológiáknak köszönhetően azonban ismertté vált az a tény, hogy a protonok között még kisebb elemek is vannak, a kvarknak nevezett részecskék, az anyag valódi alapvető részecskéi. Instabil neutron hatására proton képződhet.
Töltés
Milyen elektromos töltése van a protonnak? Ő+1 elemi töltése van, amit "e" betűvel jelölnek, és George Stoney fedezte fel 1874-ben. Míg a protonnak pozitív töltése van (vagy 1e), addig az elektronnak negatív töltése (-1 vagy -e), a neutronnak pedig egyáltalán nincs töltése, és 0e-vel jelölhető. 1 elemi töltés egyenlő 1,602 × 10 -19 coulomb. A coulomb az elektromos töltés egyfajta egysége, és egy ampernek felel meg, amely másodpercenként folyamatosan szállítódik.
Mi az a proton?
Minden, amit megérinthet és érezhet, atomokból áll. Ezeknek az apró részecskéknek az atom közepén belüli mérete nagyon kicsi. Bár egy atom tömegének nagy részét teszik ki, mégis nagyon kicsik. Valójában, ha egy atom akkora lenne, mint egy futballpálya, minden protonja csak akkora lenne, mint egy hangya. A protonok nem korlátozódhatnak az atommagokra. Amikor a protonok az atommagokon kívül vannak, lenyűgöző, bizarr és potenciálisan veszélyes tulajdonságokat vesznek fel, amelyek hasonlóak a neutronokéhoz hasonló körülmények között.
De a protonoknak van egy további tulajdonsága is. Mivel elektromos töltést hordoznak, elektromos vagy mágneses mezőkkel felgyorsíthatják őket. A napkitörések során nagy sebességű protonok és az azokat tartalmazó atommagok szabadulnak fel nagy mennyiségben. A részecskéket a Föld mágneses tere felgyorsítja, ami geomágneses viharoknak nevezett ionoszférikus zavarokat okoz.
Protonok száma, mérete és tömege
A protonok száma minden atomot egyedivé tesz. Például az oxigénben nyolc, a hidrogénben csak egy, az aranyban pedig akár 79 is. Ez a szám hasonló az elem azonosságához. Sokat megtudhat egy atomról, ha ismeri a protonjainak számát. Ez a szubatomi részecske, amely minden atom magjában megtalálható, pozitív elektromos töltése egyenlő és ellentétes az elem elektronjával. Ha el lenne szigetelve, tömege csak körülbelül 1,673-27 kg lenne, valamivel kisebb, mint egy neutron tömege.
Az elem magjában lévő protonok számát atomszámnak nevezzük. Ez a szám adja meg minden elem egyedi azonosítóját. Egy adott elem atomjaiban az atommagokban lévő protonok száma mindig azonos. Egy egyszerű hidrogénatomnak van egy magja, amely mindössze 1 protonból áll. Az összes többi elem magja a protonokon kívül szinte mindig tartalmaz neutronokat.
Mekkora egy proton?
Senki sem tudja biztosan, és ez a probléma. A kísérletek módosított hidrogénatomokat használtak a proton méretének meghatározásához. Ez egy szubatomi rejtély, nagy következményekkel. Hat évvel azután, hogy a fizikusok bejelentették, hogy a proton méretének mérése túl kicsi, a tudósok még mindig bizonytalanok a valódi méretben. Ahogy egyre több adat jelenik meg, a rejtély mélyül.
A protonok az atommag belsejében lévő részecskék. Sok éven át úgy tűnt, hogy a proton sugara 0,877 femtométer körül rögzült. De 2010-ben Randolph Paul a Quantum Intézettőloptikája őket. Max Planck a németországi Garchingban riasztó választ kapott egy új mérési technikával.
A csapat megváltoztatta a hidrogénatom egy protonjának, egy elektronjának összetételét úgy, hogy egy elektront egy nehezebb részecskére, úgynevezett müonra váltott. Ezután ezt a megváltozott atomot lézerrel helyettesítették. Az ebből eredő energiaszint-változás mérése lehetővé tette számukra a protonmag méretének kiszámítását. Meglepetésükre 4%-kal jött ki kevesebb, mint a hagyományos, más módon mért érték. Randolph kísérlete az új technikát a deutériumra is alkalmazta – a hidrogén egy olyan izotópjára, amelynek atommagjában egy proton és egy neutron, együttes nevén deuteron van. A deuteron méretének pontos kiszámítása azonban sokáig tartott.
Új kísérletek
Az új adatok azt mutatják, hogy a protonsugár-probléma továbbra is fennáll. Néhány további kísérlet Randolph Paul és mások laboratóriumában már folyamatban van. Vannak, akik ugyanazt a müontechnikát használják a nehezebb atommagok, például a hélium méretének mérésére. Mások egyidejűleg mérik a müonok és az elektronok szóródását. Paul gyanítja, hogy a tettes nem maga a proton lehet, hanem a Rydberg-állandó hibás mérése, amely szám a gerjesztett atom által kibocsátott fény hullámhosszát írja le. De ez az állandó jól ismert más precíziós kísérletekből.
Egy másik magyarázat olyan új részecskéket javasol, amelyek váratlan kölcsönhatásokat idéznek elő a proton és a müon között anélkül, hogy megváltoztatnák az elektronhoz való kötődését. Ez azt jelentheti, hogy a rejtvény túlmutat a fizika standard modelljén.részecskék. „Ha valaki a jövőben valamikor felfedez valamit, ami túlmutat a standard modellen, akkor az lesz” – mondja Paul először egy kisebb eltéréssel, majd egy újabb és egy újabb eltéréssel, ami lassan monumentálisabb elmozdulást idéz elő. Mekkora a proton valódi mérete? Az új eredmények megkérdőjelezik a fizika mögöttes elméletét.
A proton sugarának a repülési pályára gyakorolt hatásának kiszámításával a kutatók meg tudták becsülni a proton részecske sugarát, amely 0,84184 femtométert tett ki. Korábban ez a mutató 0,8768-0,897 femtométer körül volt. Ilyen apró mennyiségek mérlegelésekor mindig van lehetőség hibázni. 12 év fáradságos erőfeszítés után azonban a csapat tagjai biztosak a méréseik pontosságában. Lehet, hogy az elmélet módosításra szorul, de bármi is legyen a válasz, a fizikusok még sokáig kapkodják a fejüket ezen az ijesztő feladaton.
