De kern bestaat uit protonen, neutronen. In het model van Bohr bewegen elektronen rond de kern in cirkelvormige banen, zoals de aarde rond de zon draait. Elektronen kunnen tussen deze niveaus bewegen, en als ze dat doen, absorberen ze een foton of zenden ze een foton uit. Wat is de grootte van een proton en wat is het?
De belangrijkste bouwsteen van het zichtbare heelal
Het proton is de basisbouwsteen van het zichtbare heelal, maar veel van zijn eigenschappen, zoals de ladingsstraal en het afwijkende magnetische moment, zijn niet goed begrepen. Wat is een proton? Het is een subatomair deeltje met een positieve elektrische lading. Tot voor kort werd het proton beschouwd als het kleinste deeltje. Dankzij nieuwe technologieën is echter bekend geworden dat protonen nog kleinere elementen bevatten, deeltjes die quarks worden genoemd, de echte fundamentele deeltjes van materie. Een proton kan worden gevormd als gevolg van een onstabiel neutron.
Opladen
Welke elektrische lading heeft een proton? Hijheeft een lading van +1 elementaire lading, die wordt aangeduid met de letter "e" en werd ontdekt in 1874 door George Stoney. Terwijl het proton een positieve lading heeft (of 1e), heeft het elektron een negatieve lading (-1 of -e), en het neutron heeft helemaal geen lading en kan worden aangeduid als 0e. 1 elementaire lading is gelijk aan 1.602 × 10 -19 coulombs. Een coulomb is een soort eenheid van elektrische lading en is het equivalent van één ampère die gestaag per seconde wordt getransporteerd.
Wat is een proton?
Alles wat je kunt aanraken en voelen is gemaakt van atomen. De grootte van deze kleine deeltjes in het centrum van een atoom is erg klein. Hoewel ze het grootste deel van het gewicht van een atoom uitmaken, zijn ze nog steeds erg klein. Als een atoom zo groot zou zijn als een voetbalveld, zou elk van zijn protonen slechts zo groot zijn als een mier. Protonen mogen niet beperkt blijven tot de kernen van atomen. Wanneer protonen zich buiten atoomkernen bevinden, krijgen ze onder vergelijkbare omstandigheden fascinerende, bizarre en potentieel gevaarlijke eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van neutronen.
Maar protonen hebben een extra eigenschap. Omdat ze een elektrische lading dragen, kunnen ze worden versneld door elektrische of magnetische velden. Bij zonnevlammen komen hogesnelheidsprotonen en de atoomkernen die ze bevatten in grote hoeveelheden vrij. Deeltjes worden versneld door het aardmagnetisch veld, waardoor ionosferische verstoringen ontstaan die bekend staan als geomagnetische stormen.
Aantal protonen, grootte en massa
Het aantal protonen maakt elk atoom uniek. Zuurstof heeft er bijvoorbeeld acht, waterstof heeft er maar één en goud heeft er maar liefst 79. Dit aantal is vergelijkbaar met de identiteit van het element. Je kunt veel over een atoom leren door het aantal protonen te kennen. Dit subatomaire deeltje, dat zich in de kern van elk atoom bevindt, heeft een positieve elektrische lading die gelijk is aan en tegengesteld aan het elektron van het element. Als het geïsoleerd zou zijn, zou het een massa hebben van slechts ongeveer 1,673-27 kg, iets minder dan de massa van een neutron.
Het aantal protonen in de kern van een element wordt het atoomnummer genoemd. Dit nummer geeft elk element zijn unieke identiteit. In de atomen van een bepaald element is het aantal protonen in de kernen altijd hetzelfde. Een eenvoudig waterstofatoom heeft een kern, die uit slechts 1 proton bestaat. De kernen van alle andere elementen bevatten naast protonen bijna altijd neutronen.
Hoe groot is een proton?
Niemand weet het zeker, en dat is het probleem. De experimenten gebruikten gemodificeerde waterstofatomen om de grootte van het proton te krijgen. Het is een subatomair mysterie met grote implicaties. Zes jaar nadat natuurkundigen aankondigden dat de meting van de grootte van het proton te klein was, zijn wetenschappers nog steeds onzeker over de ware grootte. Naarmate er meer gegevens naar voren komen, wordt het mysterie groter.
Protonen zijn deeltjes in de kern van atomen. Jarenlang leek de straal van het proton vast te liggen op ongeveer 0,877 femtometers. Maar in 2010, Randolph Paul van het Institute of Quantumoptica ze. Max Planck in Garching, Duitsland, kreeg een alarmerende reactie met behulp van een nieuwe meettechniek.
Het team veranderde één proton, één elektronensamenstelling van een waterstofatoom door een elektron om te schakelen naar een zwaarder deeltje dat een muon wordt genoemd. Vervolgens vervingen ze dit veranderde atoom door een laser. Door de resulterende verandering in hun energieniveau te meten, konden ze de grootte van de protonkern berekenen. Tot hun verbazing kwam het 4% lager uit dan de traditionele waarde die op een andere manier werd gemeten. Randolph's experiment paste de nieuwe techniek ook toe op deuterium - een isotoop van waterstof met één proton en één neutron, gezamenlijk bekend als deuteron - in zijn kern. Het duurde echter lang om de grootte van het deuteron nauwkeurig te berekenen.
Nieuwe experimenten
Nieuwe gegevens tonen aan dat het probleem met de protonstraal aanhoudt. Er lopen al een paar experimenten in het laboratorium van Randolph Paul en anderen. Sommigen gebruiken dezelfde muontechniek om de grootte van zwaardere atoomkernen zoals helium te meten. Anderen meten tegelijkertijd de verstrooiing van muonen en elektronen. Paul vermoedt dat de boosdoener misschien niet het proton zelf is, maar een onjuiste meting van de Rydberg-constante, een getal dat de golflengten beschrijft van het licht dat wordt uitgezonden door een aangeslagen atoom. Maar deze constante is bekend door andere precisie-experimenten.
Een andere verklaring stelt nieuwe deeltjes voor die onverwachte interacties tussen een proton en een muon veroorzaken zonder de binding met het elektron te veranderen. Dit zou kunnen betekenen dat de puzzel ons verder brengt dan het standaardmodel van de natuurkunde.deeltjes. "Als iemand in de toekomst iets ontdekt dat verder gaat dan het standaardmodel, dan is dat het", zegt Paul, met een eerste kleine discrepantie, dan nog een en nog een, en langzaam een meer monumentale verschuiving creërend. Wat is de ware grootte van een proton? Nieuwe resultaten dagen de onderliggende theorie van de fysica uit.
Door de invloed van de protonstraal op de vliegbaan te berekenen, konden de onderzoekers de straal van het protondeeltje schatten, wat neerkwam op 0,84184 femtometers. Voorheen lag deze indicator rond de 0,8768 tot 0,897 femtometers. Bij het overwegen van zulke kleine hoeveelheden is er altijd ruimte voor fouten. Na 12 jaar nauwgezette inspanning hebben de teamleden echter vertrouwen in de nauwkeurigheid van hun metingen. De theorie heeft misschien wat bijstelling nodig, maar wat het antwoord ook is, natuurkundigen zullen nog lang achter hun oren krabben bij deze ontmoedigende taak.
