Kernen består af protoner, neutroner. I Bohrs model bevæger elektroner sig rundt om kernen i cirkulære baner, ligesom Jorden kredser om Solen. Elektroner kan bevæge sig mellem disse niveauer, og når de gør det, absorberer de enten en foton eller udsender en foton. Hvad er størrelsen af en proton, og hvad er den?
Hovedbyggestenen i det synlige univers
Protonen er den grundlæggende byggesten i det synlige univers, men mange af dets egenskaber, såsom dens ladningsradius og dets unormale magnetiske moment, er ikke godt forstået. Hvad er en proton? Det er en subatomær partikel med en positiv elektrisk ladning. Indtil for nylig blev protonen betragtet som den mindste partikel. Men takket være nye teknologier er det blevet kendt, at protoner omfatter endnu mindre grundstoffer, partikler kaldet kvarker, de sande fundamentale partikler af stof. En proton kan dannes som et resultat af en ustabil neutron.
Charge
Hvilken elektrisk ladning har en proton? Hanhar en ladning på +1 elementær ladning, som er angivet med bogstavet "e" og blev opdaget i 1874 af George Stoney. Mens protonen har en positiv ladning (eller 1e), har elektronen en negativ ladning (-1 eller -e), og neutronen har slet ingen ladning og kan betegnes 0e. 1 elementær ladning er lig med 1,602 × 10 -19 coulombs. En coulomb er en type elektrisk ladningsenhed og svarer til én ampere, der konstant transporteres pr. sekund.
Hvad er en proton?
Alt, hvad du kan røre ved og føle, er lavet af atomer. Størrelsen af disse små partikler inde i midten af et atom er meget lille. Selvom de udgør det meste af vægten af et atom, er de stadig meget små. Faktisk, hvis et atom var på størrelse med en fodboldbane, ville hver af dets protoner kun være på størrelse med en myre. Protoner bør ikke være begrænset til kernerne af atomer. Når protoner er uden for atomkerner, får de fascinerende, bizarre og potentielt farlige egenskaber svarende til neutronernes under lignende omstændigheder.
Men protoner har en ekstra egenskab. Da de bærer en elektrisk ladning, kan de accelereres af elektriske eller magnetiske felter. Højhastighedsprotoner og de atomkerner, der indeholder dem, frigives i store mængder under soludbrud. Partikler accelereres af Jordens magnetfelt, hvilket forårsager ionosfæriske forstyrrelser kendt som geomagnetiske storme.
Antal protoner, størrelse og masse
Antallet af protoner gør hvert atom unikt. For eksempel har oxygen otte af dem, brint har kun én, og guld har så mange som 79. Dette tal svarer til grundstoffets identitet. Du kan lære meget om et atom blot ved at kende antallet af dets protoner. Denne subatomare partikel, der findes i kernen af hvert atom, har en positiv elektrisk ladning, der er lig med og modsat elementets elektron. Hvis det var isoleret, ville det kun have en masse på omkring 1,673-27 kg, lidt mindre end en neutrons masse.
Antallet af protoner i kernen af et grundstof kaldes atomnummeret. Dette nummer giver hvert element sin unikke identitet. I atomerne i et bestemt grundstof er antallet af protoner i kernerne altid det samme. Et simpelt brintatom har en kerne, som kun består af 1 proton. Alle andre grundstoffers kerner indeholder næsten altid neutroner ud over protoner.
Hvor stor er en proton?
Ingen ved det med sikkerhed, og det er problemet. Eksperimenterne brugte modificerede brintatomer for at få størrelsen på protonen. Det er et subatomært mysterium med store implikationer. Seks år efter at fysikere meddelte, at målingen af protonens størrelse var for lille, er forskerne stadig usikre på den sande størrelse. Efterhånden som flere data dukker op, bliver mysteriet dybere.
Protoner er partikler inde i atomkernen. I mange år så protonens radius ud til at være fastsat til omkring 0,877 femtometer. Men i 2010, Randolph Paul fra Institute of Quantumoptik dem. Max Planck i Garching, Tyskland, modtog et alarmerende svar ved hjælp af en ny måleteknik.
Holdet ændrede én proton, én elektronsammensætning af et brintatom ved at skifte en elektron til en tungere partikel kaldet en myon. De erstattede derefter dette ændrede atom med en laser. Måling af den resulterende ændring i deres energiniveauer gav dem mulighed for at beregne størrelsen af dens protonkerne. Til deres overraskelse kom det ud 4% mindre end den traditionelle værdi målt på andre måder. Randolphs eksperiment anvendte også den nye teknik på deuterium - en isotop af brint, der har en proton og en neutron, samlet kendt som deuteron - i sin kerne. Det tog dog lang tid at beregne størrelsen af deuteron nøjagtigt.
Nye eksperimenter
Nye data viser, at protonradiusproblemet fortsætter. Et par flere eksperimenter i laboratoriet hos Randolph Paul og andre er allerede i gang. Nogle bruger den samme myonteknik til at måle størrelsen af tungere atomkerner som helium. Andre måler samtidig spredningen af myoner og elektroner. Paul formoder, at synderen måske ikke er selve protonen, men en forkert måling af Rydberg-konstanten, et tal, der beskriver bølgelængderne af lys udsendt af et exciteret atom. Men denne konstant er velkendt gennem andre præcisionseksperimenter.
En anden forklaring foreslår nye partikler, der forårsager uventede interaktioner mellem en proton og en myon uden at ændre dens binding til elektronen. Dette kan betyde, at puslespillet fører os ud over standardmodellen for fysik.partikler. "Hvis nogen på et tidspunkt i fremtiden opdager noget ud over standardmodellen, vil det være det," siger Paul med en første lille uoverensstemmelse, så endnu en og en anden, der langsomt skaber et mere monument alt skift. Hvad er den sande størrelse af en proton? Nye resultater udfordrer den underliggende teori om fysik.
Ved at beregne indflydelsen af protonradius på flyvebanen var forskerne i stand til at estimere radius af protonpartiklen, som beløb sig til 0,84184 femtometer. Tidligere lå denne indikator på omkring 0,8768 til 0,897 femtometer. Når man overvejer så små mængder, er der altid plads til fejl. Efter 12 års omhyggelig indsats er teammedlemmerne dog sikre på nøjagtigheden af deres målinger. Teorien skal muligvis justeres, men uanset svaret, vil fysikere klø sig i hovedet ved denne skræmmende opgave i lang tid fremover.
