Jadro pozostáva z protónov, neutrónov. V Bohrovom modeli sa elektróny pohybujú okolo jadra po kruhových dráhach, ako keď sa Zem otáča okolo Slnka. Elektróny sa môžu pohybovať medzi týmito úrovňami, a keď sa tak stane, buď pohltia fotón, alebo vyžarujú fotón. Aká je veľkosť protónu a čo to je?
Hlavný stavebný kameň viditeľného vesmíru
Protón je základným stavebným kameňom viditeľného vesmíru, ale mnohé z jeho vlastností, ako napríklad polomer náboja a jeho anomálny magnetický moment, nie sú dobre pochopené. Čo je to protón? Je to subatomárna častica s kladným elektrickým nábojom. Donedávna bol protón považovaný za najmenšiu časticu. Vďaka novým technológiám sa však zistilo, že protóny zahŕňajú ešte menšie prvky, častice nazývané kvarky, skutočné základné častice hmoty. Protón môže vzniknúť ako výsledok nestabilného neutrónu.
Poplatok
Aký elektrický náboj má protón? Onmá náboj +1 elementárny náboj, ktorý sa označuje písmenom „e“a objavil ho v roku 1874 George Stoney. Zatiaľ čo protón má kladný náboj (alebo 1e), elektrón má záporný náboj (-1 alebo -e) a neutrón nemá vôbec žiadny náboj a možno ho označiť 0e. 1 elementárny náboj sa rovná 1,602 × 10 -19 coulombov. Coulomb je typ jednotky elektrického náboja a je ekvivalentom jedného ampéra, ktorý sa plynule prenáša za sekundu.
Čo je to protón?
Všetko, čoho sa môžete dotknúť a cítiť, je vyrobené z atómov. Veľkosť týchto malých častíc v strede atómu je veľmi malá. Hoci tvoria väčšinu hmotnosti atómu, sú stále veľmi malé. V skutočnosti, ak by mal atóm veľkosť futbalového ihriska, každý z jeho protónov by mal veľkosť iba mravca. Protóny by sa nemali obmedzovať len na jadrá atómov. Keď sú protóny mimo atómových jadier, nadobúdajú fascinujúce, bizarné a potenciálne nebezpečné vlastnosti podobné vlastnostiam neutrónov za podobných okolností.
Protóny však majú ďalšiu vlastnosť. Keďže nesú elektrický náboj, môžu byť urýchlené elektrickými alebo magnetickými poľami. Počas slnečných erupcií sa vo veľkom uvoľňujú vysokorýchlostné protóny a atómové jadrá, ktoré ich obsahujú. Častice sú urýchľované magnetickým poľom Zeme, čo spôsobuje ionosférické poruchy známe ako geomagnetické búrky.
Počet protónov, veľkosť a hmotnosť
Počet protónov robí každý atóm jedinečným. Napríklad kyslík ich má osem, vodík iba jeden a zlato až 79. Toto číslo je podobné ako identita prvku. O atóme sa môžete veľa naučiť, ak poznáte počet jeho protónov. Táto subatomárna častica, ktorá sa nachádza v jadre každého atómu, má kladný elektrický náboj rovnaký a opačný ako elektrón prvku. Ak by bol izolovaný, mal by hmotnosť len asi 1,673-27 kg, o niečo menej ako hmotnosť neutrónu.
Počet protónov v jadre prvku sa nazýva atómové číslo. Toto číslo dáva každému prvku jeho jedinečnú identitu. V atómoch akéhokoľvek konkrétneho prvku je počet protónov v jadrách vždy rovnaký. Jednoduchý atóm vodíka má jadro, ktoré pozostáva iba z 1 protónu. Jadrá všetkých ostatných prvkov takmer vždy obsahujú okrem protónov aj neutróny.
Aký veľký je protón?
Nikto to nevie s istotou, a to je ten problém. Experimenty používali modifikované atómy vodíka na získanie veľkosti protónu. Je to subatomárna záhada s veľkými dôsledkami. Šesť rokov po tom, čo fyzici oznámili, že meranie veľkosti protónu bolo príliš malé, si vedci stále nie sú istí skutočnou veľkosťou. S pribúdajúcimi údajmi sa záhada prehlbuje.
Protóny sú častice vo vnútri jadra atómov. Po mnoho rokov sa zdalo, že polomer protónu je pevne stanovený na približne 0,877 femtometrov. Ale v roku 2010 Randolph Paul z Institute of Quantumich optika. Max Planck v Garchingu v Nemecku dostal alarmujúcu odpoveď pomocou novej meracej techniky.
Tím zmenil jeden protón, jeden elektrónové zloženie atómu vodíka prepnutím elektrónu na ťažšiu časticu nazývanú mión. Potom tento zmenený atóm nahradili laserom. Meranie výslednej zmeny ich energetických hladín im umožnilo vypočítať veľkosť jeho protónového jadra. Na ich prekvapenie to vyšlo o 4 % menej ako tradičná hodnota nameraná inými prostriedkami. Randolphov experiment aplikoval novú techniku aj na deutérium – izotop vodíka, ktorý má vo svojom jadre jeden protón a jeden neutrón, súhrnne známy ako deuterón. Presný výpočet veľkosti deuterónu však trvalo dlho.
Nové experimenty
Nové údaje ukazujú, že problém s rádiusom protónov pretrváva. Niekoľko ďalších experimentov v laboratóriu Randolpha Paula a ďalších už prebieha. Niektorí používajú rovnakú miónovú techniku na meranie veľkosti ťažších atómových jadier, ako je hélium. Iné súčasne merajú rozptyl miónov a elektrónov. Paul má podozrenie, že na vine nemusí byť samotný protón, ale nesprávne meranie Rydbergovej konštanty, čísla, ktoré popisuje vlnové dĺžky svetla vyžarovaného excitovaným atómom. Ale táto konštanta je dobre známa z iných presných experimentov.
Iné vysvetlenie navrhuje nové častice, ktoré spôsobujú neočakávané interakcie medzi protónom a miónom bez toho, aby zmenili jeho väzbu s elektrónom. To by mohlo znamenať, že hlavolam sa dostaneme za hranice štandardného modelu fyziky.častice. „Ak v určitom bode v budúcnosti niekto objaví niečo, čo presahuje štandardný model, bude to tak,“hovorí Paul s prvým malým rozdielom, potom ďalším a ďalším, čím sa pomaly vytvára monumentálnejší posun. Aká je skutočná veľkosť protónu? Nové výsledky spochybňujú základnú teóriu fyziky.
Výpočtom vplyvu protónového polomeru na dráhu letu boli vedci schopní odhadnúť polomer protónovej častice, ktorý predstavoval 0,84184 femtometrov. Predtým bol tento ukazovateľ okolo 0,8768 až 0,897 femtometrov. Pri zvažovaní takýchto malých množstiev vždy existuje priestor na chyby. Po 12 rokoch usilovného úsilia sú však členovia tímu presvedčení o presnosti svojich meraní. Teória si možno bude vyžadovať nejaké úpravy, ale nech už bude odpoveď akákoľvek, fyzici sa budú nad touto skľučujúcou úlohou škrabať na hlave ešte dlho.
