Kjernen består av protoner, nøytroner. I Bohrs modell beveger elektroner seg rundt kjernen i sirkulære baner, som Jorden som roterer rundt Solen. Elektroner kan bevege seg mellom disse nivåene, og når de gjør det, absorberer de enten et foton eller sender ut et foton. Hva er størrelsen på et proton og hva er det?
Hovedbyggesteinen i det synlige universet
Protonet er den grunnleggende byggesteinen i det synlige universet, men mange av dets egenskaper, som ladningsradius og dets uregelmessige magnetiske moment, er ikke godt forstått. Hva er et proton? Det er en subatomær partikkel med en positiv elektrisk ladning. Inntil nylig ble protonet ansett som den minste partikkelen. Men takket være ny teknologi har det blitt kjent at protoner inkluderer enda mindre grunnstoffer, partikler k alt kvarker, de sanne fundamentale partiklene i materie. Et proton kan dannes som et resultat av et ustabilt nøytron.
Charge
Hvilken elektrisk ladning har et proton? Hanhar en ladning på +1 elementær ladning, som er betegnet med bokstaven "e" og ble oppdaget i 1874 av George Stoney. Mens protonet har en positiv ladning (eller 1e), har elektronet en negativ ladning (-1 eller -e), og nøytronet har ingen ladning i det hele tatt og kan betegnes 0e. 1 elementær ladning er lik 1,602 × 10 -19 coulombs. En coulomb er en type enhet for elektrisk ladning og tilsvarer én ampere som jevnt transporteres per sekund.
Hva er et proton?
Alt du kan ta på og føle er laget av atomer. Størrelsen på disse bittesmå partiklene i midten av et atom er svært liten. Selv om de utgjør det meste av vekten til et atom, er de fortsatt veldig små. Faktisk, hvis et atom var på størrelse med en fotballbane, ville hver av protonene bare vært på størrelse med en maur. Protoner bør ikke begrenses til atomkjerner. Når protoner er utenfor atomkjerner, får de fascinerende, bisarre og potensielt farlige egenskaper som ligner på nøytroner under lignende omstendigheter.
Men protoner har en tilleggsegenskap. Siden de har en elektrisk ladning, kan de akselereres av elektriske eller magnetiske felt. Høyhastighetsprotoner og atomkjernene som inneholder dem frigjøres i store mengder under solutbrudd. Partikler akselereres av jordens magnetfelt, og forårsaker ionosfæriske forstyrrelser kjent som geomagnetiske stormer.
Antall protoner, størrelse og masse
Antallet protoner gjør hvert atom unikt. For eksempel har oksygen åtte av dem, hydrogen har bare én, og gull har så mange som 79. Dette tallet ligner på identiteten til grunnstoffet. Du kan lære mye om et atom bare ved å vite antallet protoner. Denne subatomære partikkelen, som finnes i kjernen til hvert atom, har en positiv elektrisk ladning som er lik og motsatt elementets elektron. Hvis den var isolert, ville den ha en masse på bare rundt 1,673-27 kg, litt mindre enn massen til et nøytron.
Antallet protoner i kjernen til et grunnstoff kalles atomnummeret. Dette tallet gir hvert element sin unike identitet. I atomene til et bestemt grunnstoff er antallet protoner i kjernene alltid det samme. Et enkelt hydrogenatom har en kjerne, som kun består av 1 proton. Kjernene til alle andre grunnstoffer inneholder nesten alltid nøytroner i tillegg til protoner.
Hvor stort er et proton?
Ingen vet sikkert, og det er problemet. Eksperimentene brukte modifiserte hydrogenatomer for å få størrelsen på protonet. Det er et subatomært mysterium med store implikasjoner. Seks år etter at fysikere annonserte at målingen av protonets størrelse var for liten, er forskerne fortsatt usikre på den sanne størrelsen. Etter hvert som mer data dukker opp, blir mysteriet dypere.
Protoner er partikler inne i atomkjernen. I mange år så det ut til at protonets radius var fast på rundt 0,877 femtometer. Men i 2010, Randolph Paul fra Institute of Quantumoptikk dem. Max Planck i Garching, Tyskland, fikk et alarmerende svar ved å bruke en ny måleteknikk.
Teamet endret ett proton, ett elektronsammensetning av et hydrogenatom ved å bytte et elektron til en tyngre partikkel k alt en myon. De erstattet deretter dette endrede atomet med en laser. Ved å måle den resulterende endringen i energinivåene deres, kunne de beregne størrelsen på protonkjernen. Til deres overraskelse kom det ut 4 % mindre enn den tradisjonelle verdien målt på andre måter. Randolphs eksperiment brukte også den nye teknikken på deuterium - en isotop av hydrogen som har ett proton og ett nøytron, samlet kjent som deuteronet - i kjernen. Det tok imidlertid lang tid å beregne størrelsen på deuteronet nøyaktig.
Nye eksperimenter
Nye data viser at protonradiusproblemet vedvarer. Noen flere eksperimenter i laboratoriet til Randolph Paul og andre er allerede i gang. Noen bruker den samme myonteknikken for å måle størrelsen på tyngre atomkjerner som helium. Andre måler samtidig spredningen av myoner og elektroner. Paul mistenker at synderen kanskje ikke er selve protonet, men en feilmåling av Rydberg-konstanten, et tall som beskriver bølgelengdene til lys som sendes ut av et eksitert atom. Men denne konstanten er velkjent gjennom andre presisjonseksperimenter.
En annen forklaring foreslår nye partikler som forårsaker uventede interaksjoner mellom et proton og et myon uten å endre bindingen til elektronet. Dette kan bety at puslespillet tar oss utover standardmodellen for fysikk.partikler. "Hvis noen på et tidspunkt i fremtiden oppdager noe utover standardmodellen, vil det være det," sier Paul, med en første liten avvik, så en til og en annen, og sakte skaper et mer monument alt skifte. Hva er den sanne størrelsen på et proton? Nye resultater utfordrer den underliggende teorien om fysikk.
Ved å beregne påvirkningen av protonradiusen på flyveien, kunne forskerne estimere radiusen til protonpartikkelen, som utgjorde 0,84184 femtometer. Tidligere var denne indikatoren på rundt 0,8768 til 0,897 femtometer. Når man vurderer slike små mengder, er det alltid rom for feil. Etter 12 år med møysommelig innsats er teammedlemmene imidlertid sikre på nøyaktigheten av målingene. Teorien kan trenge litt justeringer, men uansett svar, vil fysikere klø seg i hodet på denne skremmende oppgaven i lang tid fremover.
