Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια. Στο μοντέλο του Bohr, τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές τροχιές, όπως η Γη που περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται μεταξύ αυτών των επιπέδων και όταν το κάνουν, είτε απορροφούν ένα φωτόνιο είτε εκπέμπουν ένα φωτόνιο. Ποιο είναι το μέγεθος ενός πρωτονίου και ποιο είναι;
Το κύριο δομικό στοιχείο του ορατού Σύμπαντος
Το πρωτόνιο είναι το βασικό δομικό στοιχείο του ορατού σύμπαντος, αλλά πολλές από τις ιδιότητές του, όπως η ακτίνα φορτίου και η ανώμαλη μαγνητική ροπή του, δεν είναι καλά κατανοητές. Τι είναι ένα πρωτόνιο; Είναι ένα υποατομικό σωματίδιο με θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Μέχρι πρόσφατα, το πρωτόνιο θεωρούνταν το μικρότερο σωματίδιο. Ωστόσο, χάρη στις νέες τεχνολογίες, έγινε γνωστό ότι τα πρωτόνια περιλαμβάνουν ακόμη μικρότερα στοιχεία, σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, τα αληθινά θεμελιώδη σωματίδια της ύλης. Ένα πρωτόνιο μπορεί να σχηματιστεί ως αποτέλεσμα ενός ασταθούς νετρονίου.
Χρέωση
Τι ηλεκτρικό φορτίο έχει ένα πρωτόνιο; Αυτόςέχει φορτίο +1 στοιχειώδες φορτίο, το οποίο συμβολίζεται με το γράμμα «ε» και ανακαλύφθηκε το 1874 από τον Τζορτζ Στόουνι. Ενώ το πρωτόνιο έχει θετικό φορτίο (ή 1e), το ηλεκτρόνιο έχει αρνητικό φορτίο (-1 ή -e), και το νετρόνιο δεν έχει καθόλου φορτίο και μπορεί να συμβολιστεί με 0e. 1 στοιχειώδες φορτίο ισούται με 1.602 × 10 -19 κουλόμπ. Το κουλόμπ είναι ένας τύπος μονάδας ηλεκτρικού φορτίου και ισοδυναμεί με ένα αμπέρ που μεταφέρεται σταθερά ανά δευτερόλεπτο.
Τι είναι ένα πρωτόνιο;
Ό,τι μπορείτε να αγγίξετε και να αισθανθείτε αποτελείται από άτομα. Το μέγεθος αυτών των μικροσκοπικών σωματιδίων μέσα στο κέντρο ενός ατόμου είναι πολύ μικρό. Αν και αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του βάρους ενός ατόμου, εξακολουθούν να είναι πολύ μικρά. Στην πραγματικότητα, αν ένα άτομο είχε το μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου, κάθε πρωτόνιό του θα είχε μόνο το μέγεθος ενός μυρμηγκιού. Τα πρωτόνια δεν πρέπει να περιορίζονται στους πυρήνες των ατόμων. Όταν τα πρωτόνια βρίσκονται έξω από τους ατομικούς πυρήνες, αποκτούν συναρπαστικές, παράξενες και δυνητικά επικίνδυνες ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες των νετρονίων υπό παρόμοιες συνθήκες.
Αλλά τα πρωτόνια έχουν μια επιπλέον ιδιότητα. Δεδομένου ότι φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, μπορούν να επιταχυνθούν από ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία. Τα πρωτόνια υψηλής ταχύτητας και οι ατομικοί πυρήνες που τα περιέχουν απελευθερώνονται σε μεγάλες ποσότητες κατά τη διάρκεια των ηλιακών εκλάμψεων. Τα σωματίδια επιταχύνονται από το μαγνητικό πεδίο της Γης, προκαλώντας ιονοσφαιρικές διαταραχές γνωστές ως γεωμαγνητικές καταιγίδες.
Αριθμός πρωτονίων, μέγεθος και μάζα
Ο αριθμός των πρωτονίων κάνει κάθε άτομο μοναδικό. Για παράδειγμα, το οξυγόνο έχει οκτώ από αυτά, το υδρογόνο έχει μόνο ένα και ο χρυσός έχει έως και 79. Αυτός ο αριθμός είναι παρόμοιος με την ταυτότητα του στοιχείου. Μπορείτε να μάθετε πολλά για ένα άτομο μόνο και μόνο γνωρίζοντας τον αριθμό των πρωτονίων του. Αυτό το υποατομικό σωματίδιο, που βρίσκεται στον πυρήνα κάθε ατόμου, έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο ίσο και αντίθετο με το ηλεκτρόνιο του στοιχείου. Αν ήταν απομονωμένο, θα είχε μάζα μόνο περίπου 1,673-27 kg, ελαφρώς μικρότερη από τη μάζα ενός νετρονίου.
Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα ενός στοιχείου ονομάζεται ατομικός αριθμός. Αυτός ο αριθμός δίνει σε κάθε στοιχείο τη μοναδική του ταυτότητα. Στα άτομα οποιουδήποτε συγκεκριμένου στοιχείου, ο αριθμός των πρωτονίων στους πυρήνες είναι πάντα ο ίδιος. Ένα απλό άτομο υδρογόνου έχει έναν πυρήνα, ο οποίος αποτελείται από μόνο 1 πρωτόνιο. Οι πυρήνες όλων των άλλων στοιχείων περιέχουν σχεδόν πάντα νετρόνια εκτός από πρωτόνια.
Πόσο μεγάλο είναι ένα πρωτόνιο;
Κανείς δεν ξέρει με βεβαιότητα, και αυτό είναι το πρόβλημα. Τα πειράματα χρησιμοποίησαν τροποποιημένα άτομα υδρογόνου για να πάρουν το μέγεθος του πρωτονίου. Είναι ένα υποατομικό μυστήριο με μεγάλες επιπτώσεις. Έξι χρόνια αφότου οι φυσικοί ανακοίνωσαν ότι η μέτρηση του μεγέθους του πρωτονίου ήταν πολύ μικρή, οι επιστήμονες εξακολουθούν να είναι αβέβαιοι για το πραγματικό μέγεθος. Καθώς προκύπτουν περισσότερα δεδομένα, το μυστήριο βαθαίνει.
Τα πρωτόνια είναι σωματίδια μέσα στον πυρήνα των ατόμων. Για πολλά χρόνια, η ακτίνα του πρωτονίου φαινόταν να είναι σταθερή γύρω στα 0,877 femtometers. Αλλά το 2010, ο Randolph Paul από το Institute of Quantumοπτικά τους. Ο Max Planck στο Garching της Γερμανίας έλαβε μια ανησυχητική απάντηση χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνική μέτρησης.
Η ομάδα άλλαξε τη σύνθεση ενός πρωτονίου, ενός ηλεκτρονίου ενός ατόμου υδρογόνου μετατρέποντας ένα ηλεκτρόνιο σε ένα βαρύτερο σωματίδιο που ονομάζεται μιόνιο. Στη συνέχεια αντικατέστησαν αυτό το αλλοιωμένο άτομο με λέιζερ. Η μέτρηση της προκύπτουσας αλλαγής στα ενεργειακά τους επίπεδα τους επέτρεψε να υπολογίσουν το μέγεθος του πυρήνα του πρωτονίου του. Προς έκπληξή τους, βγήκε 4% λιγότερο από την παραδοσιακή αξία που μετράται με άλλα μέσα. Το πείραμα του Randolph εφάρμοσε επίσης τη νέα τεχνική στο δευτέριο - ένα ισότοπο υδρογόνου που έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, συλλογικά γνωστά ως δευτερόνιο - στον πυρήνα του. Ωστόσο, χρειάστηκε πολύς χρόνος για να υπολογιστεί με ακρίβεια το μέγεθος του δευτερονίου.
Νέα πειράματα
Νέα δεδομένα δείχνουν ότι το πρόβλημα ακτίνας πρωτονίων παραμένει. Μερικά ακόμη πειράματα στο εργαστήριο του Randolph Paul και άλλων βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη. Μερικοί χρησιμοποιούν την ίδια τεχνική μιονίων για να μετρήσουν το μέγεθος βαρύτερων ατομικών πυρήνων όπως το ήλιο. Άλλοι μετρούν ταυτόχρονα τη σκέδαση μιονίων και ηλεκτρονίων. Ο Paul υποπτεύεται ότι ο ένοχος μπορεί να μην είναι το ίδιο το πρωτόνιο, αλλά μια εσφαλμένη μέτρηση της σταθεράς Rydberg, ένας αριθμός που περιγράφει τα μήκη κύματος του φωτός που εκπέμπεται από ένα διεγερμένο άτομο. Αλλά αυτή η σταθερά είναι γνωστή μέσω άλλων πειραμάτων ακριβείας.
Μια άλλη εξήγηση προτείνει νέα σωματίδια που προκαλούν απροσδόκητες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενός πρωτονίου και ενός μιονίου χωρίς να αλλάζουν τον δεσμό του με το ηλεκτρόνιο. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι το παζλ μας οδηγεί πέρα από το τυπικό μοντέλο της φυσικής.σωματίδια. «Αν κάποια στιγμή στο μέλλον κάποιος ανακαλύψει κάτι πέρα από το τυπικό μοντέλο, αυτό θα είναι», λέει ο Paul, με μια πρώτη μικρή απόκλιση, μετά μια άλλη και μια άλλη, δημιουργώντας σιγά σιγά μια πιο μνημειώδη αλλαγή. Ποιο είναι το πραγματικό μέγεθος ενός πρωτονίου; Νέα αποτελέσματα αμφισβητούν την υποκείμενη θεωρία της φυσικής.
Υπολογίζοντας την επίδραση της ακτίνας του πρωτονίου στην διαδρομή πτήσης, οι ερευνητές μπόρεσαν να υπολογίσουν την ακτίνα του σωματιδίου του πρωτονίου, η οποία ανερχόταν σε 0,84184 femtometers. Προηγουμένως, αυτός ο δείκτης ήταν περίπου 0,8768 έως 0,897 femtometers. Όταν εξετάζουμε τέτοιες μικροσκοπικές ποσότητες, υπάρχει πάντα χώρος για λάθη. Ωστόσο, μετά από 12 χρόνια επίπονης προσπάθειας, τα μέλη της ομάδας είναι σίγουροι για την ακρίβεια των μετρήσεών τους. Η θεωρία μπορεί να χρειάζεται κάποιες προσαρμογές, αλλά όποια και αν είναι η απάντηση, οι φυσικοί θα ξύνουν τα κεφάλια τους σε αυτό το τρομακτικό έργο για πολύ καιρό ακόμα.
