הגרעין מורכב מפרוטונים, נויטרונים. במודל של בוהר, אלקטרונים נעים סביב הגרעין במסלולים מעגליים, כמו כדור הארץ הסובב סביב השמש. אלקטרונים יכולים לנוע בין רמות אלו, וכאשר הם עושים זאת, הם סופגים פוטון או פולטים פוטון. מה גודלו של פרוטון ומהו?
אבן הבניין הראשי של היקום הגלוי
הפרוטון הוא אבן הבניין הבסיסית של היקום הגלוי, אבל הרבה מתכונותיו, כמו רדיוס המטען שלו והמומנט המגנטי החריג שלו, אינן מובנות היטב. מהו פרוטון? זהו חלקיק תת-אטומי בעל מטען חשמלי חיובי. עד לאחרונה, הפרוטון נחשב לחלקיק הקטן ביותר. עם זאת, הודות לטכנולוגיות חדשות, נודעה העובדה שהפרוטונים כוללים יסודות קטנים עוד יותר, חלקיקים הנקראים קווארקים, החלקיקים הבסיסיים האמיתיים של החומר. פרוטון יכול להיווצר כתוצאה מנויטרון לא יציב.
Charge
איזה מטען חשמלי יש לפרוטון? הואבעל מטען של +1 מטען יסודי, המסומן באות "e" והתגלה ב-1874 על ידי ג'ורג' סטוני. בעוד שלפרוטון יש מטען חיובי (או 1e), לאלקטרון יש מטען שלילי (-1 או -e), ולנייטרון אין מטען כלל וניתן לסמן אותו 0e. מטען אלמנטרי אחד שווה ל-1.602 × 10 -19 coulombs. קולומב הוא סוג של יחידת מטען חשמלי והוא שווה ערך לאמפר אחד שמועבר בהתמדה בשנייה.
מהו פרוטון?
כל מה שאתה יכול לגעת ולהרגיש עשוי מאטומים. גודלם של החלקיקים הזעירים הללו בתוך מרכז האטום קטן מאוד. למרות שהם מהווים את רוב משקלו של אטום, הם עדיין קטנים מאוד. למעשה, אם אטום היה בגודל של מגרש כדורגל, כל אחד מהפרוטונים שלו היה רק בגודל של נמלה. אין להגביל פרוטונים לגרעיני האטומים. כאשר פרוטונים נמצאים מחוץ לגרעיני האטום, הם מקבלים תכונות מרתקות, מוזרות ועלולות להיות מסוכנות הדומות לאלו של נויטרונים בנסיבות דומות.
אבל לפרוטונים יש תכונה נוספת. מכיוון שהם נושאים מטען חשמלי, ניתן להאיץ אותם על ידי שדות חשמליים או מגנטיים. פרוטונים מהירים וגרעיני האטום המכילים אותם משתחררים בכמויות גדולות במהלך התלקחויות שמש. החלקיקים מואצים על ידי השדה המגנטי של כדור הארץ, וגורמים להפרעות יונוספריות הידועות כסופות גיאומגנטיות.
מספר הפרוטונים, גודל ומסה
מספר הפרוטונים הופך כל אטום לייחודי. לדוגמה, בחמצן יש שמונה מהם, למימן יש רק אחד, ובזהב יש עד 79. מספר זה דומה לזהות היסוד. אתה יכול ללמוד הרבה על אטום רק על ידי ידיעת מספר הפרוטונים שלו. לחלקיק התת-אטומי הזה, המצוי בגרעין של כל אטום, יש מטען חשמלי חיובי השווה ומנוגד לאלקטרון של היסוד. אם הוא היה מבודד, המסה שלו הייתה רק כ-1.673-27 kg, מעט פחות מהמסה של נויטרון.
מספר הפרוטונים בגרעין של יסוד נקרא המספר האטומי. מספר זה נותן לכל אלמנט את זהותו הייחודית. באטומים של כל יסוד מסוים, מספר הפרוטונים בגרעינים תמיד זהה. לאטום מימן פשוט יש גרעין, המורכב מפרוטון אחד בלבד. הגרעינים של כל שאר היסודות מכילים כמעט תמיד נויטרונים בנוסף לפרוטונים.
כמה גדול פרוטון?
אף אחד לא יודע בוודאות, וזו הבעיה. הניסויים השתמשו באטומי מימן שעברו שינוי כדי לקבל את גודל הפרוטון. זו תעלומה תת-אטומית עם השלכות גדולות. שש שנים לאחר שהפיזיקאים הודיעו כי המדידה של גודל הפרוטון קטנה מדי, המדענים עדיין לא בטוחים לגבי הגודל האמיתי. ככל שמופיעים נתונים נוספים, התעלומה מעמיקה.
פרוטונים הם חלקיקים בתוך גרעין האטומים. במשך שנים רבות נראה היה שהרדיוס של הפרוטון קבוע בסביבות 0.877 פמטומטר. אבל בשנת 2010, רנדולף פול מהמכון לקוונטיםאופטיקה אותם. מקס פלאנק ב-Garching, גרמניה, קיבל תגובה מדאיגה באמצעות טכניקת מדידה חדשה.
הצוות שינה פרוטון אחד, הרכב אלקטרון אחד של אטום מימן על ידי החלפת אלקטרון לחלקיק כבד יותר הנקרא מיאון. לאחר מכן הם החליפו את האטום שהשתנה בלייזר. מדידת השינוי שנוצר ברמות האנרגיה שלהם אפשרה להם לחשב את גודל גרעין הפרוטון שלו. להפתעתם, הוא יצא ב-4% פחות מהערך המסורתי שנמדד באמצעים אחרים. הניסוי של רנדולף יישם את הטכניקה החדשה גם על דאוטריום - איזוטופ של מימן שיש לו פרוטון אחד ונייטרון אחד, הידועים ביחד כדויטרון - בגרעין שלו. עם זאת, לקח הרבה זמן לחשב במדויק את גודל הדוטר.
ניסויים חדשים
נתונים חדשים מראים שבעיית רדיוס הפרוטונים נמשכת. עוד כמה ניסויים במעבדה של רנדולף פול ואחרים כבר בעיצומם. חלקם משתמשים באותה טכניקת מיאון כדי למדוד את גודלם של גרעיני אטום כבדים יותר כמו הליום. אחרים מודדים בו-זמנית את הפיזור של מיואונים ואלקטרונים. פול חושד שייתכן שהאשם אינו הפרוטון עצמו, אלא מדידה לא נכונה של קבוע רידברג, מספר המתאר את אורכי הגל של האור הנפלט על ידי אטום נרגש. אבל הקבוע הזה ידוע היטב באמצעות ניסויי דיוק אחרים.
הסבר נוסף מציע חלקיקים חדשים הגורמים לאינטראקציות בלתי צפויות בין פרוטון למיאון מבלי לשנות את הקשר שלו עם האלקטרון. זה יכול לומר שהפאזל לוקח אותנו מעבר למודל הסטנדרטי של הפיזיקה.חלקיקים. "אם בשלב מסוים בעתיד מישהו יגלה משהו מעבר למודל הסטנדרטי, זה יהיה זה", אומר פול, עם אי התאמה קטנה ראשונה, אחר כך עוד אחד ועוד אחד, אט אט יוצר שינוי מונומנטלי יותר. מה הגודל האמיתי של פרוטון? תוצאות חדשות מאתגרות את התיאוריה הבסיסית של הפיזיקה.
על ידי חישוב השפעת רדיוס הפרוטון על נתיב הטיסה, הצליחו החוקרים להעריך את הרדיוס של חלקיק הפרוטון, שהסתכם ב-0.84184 פמטומטר. בעבר, אינדיקטור זה היה בסביבות 0.8768 עד 0.897 פמטומטר. כאשר בוחנים כמויות זעירות כאלה, תמיד יש מקום לטעויות. עם זאת, לאחר 12 שנים של מאמץ קפדני, חברי הצוות בטוחים בדיוק של המדידות שלהם. ייתכן שהתיאוריה תזדקק לשינוי מסוים, אבל תהיה התשובה אשר תהיה, הפיזיקאים יגרדו את ראשם במשימה המפחידה הזו עוד הרבה זמן.
