Selamat malam, bapak dan ibu yang tercerahkan!

Hari ini saya akan memperkenalkan Anda pada partikel dasar alam semesta - proton, dan untuk ini saya akan menanyakan Anda, para pembaca yang budiman, pertanyaan paling sederhana - apa itu proton? Partikel atau gelombang, atau keduanya?

Meskipun pertanyaannya tampak sederhana, menjawabnya tidaklah mudah. Oleh karena itu, sebelum menjawab pertanyaan sulit ini, kita perlu mengacu pada data referensi dari Internet:

“Proton adalah partikel stabil dari kelas hadron, inti atom hidrogen.

Penciptaan model atom planet oleh E. Rutherford (1911), penemuan isotop (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906 - 1919), dan pengamatan inti hidrogen yang dihancurkan oleh partikel alfa dari inti nitrogen berperan dalam penemuan proton (E. Rutherford, 1919). Pada tahun 1925, P. Blackett memperoleh foto pertama jejak proton di ruang awan, sekaligus mengkonfirmasi penemuan transformasi buatan unsur-unsur. Dalam percobaan ini, partikel alfa ditangkap oleh inti nitrogen, yang mengeluarkan proton dan menjadi isotop oksigen.

Bersama dengan neutron, proton membentuk inti atom semua unsur kimia, dan jumlah proton dalam inti menentukan nomor atom suatu unsur.

Sebuah proton memiliki muatan listrik positif yang sama dengan muatan dasar, yaitu nilai absolut muatan elektron.

Massa proton = (938,2796 ± 0,0027) MeV atau = 1,6;10 hingga minus 24 pangkat
gram, yaitu proton 1836 kali lebih berat dari elektron! Dari sudut pandang modern, proton bukanlah partikel yang benar-benar elementer: ia terdiri dari dua u-quark dengan muatan listrik +2/3 (dalam satuan muatan dasar) dan satu d-quark dengan muatan listrik - 1/3. Quark saling berhubungan melalui pertukaran partikel hipotetis lainnya - gluon, kuanta medan yang membawa interaksi kuat.

Data dari eksperimen yang memperhitungkan proses hamburan elektron pada proton memang menunjukkan adanya pusat hamburan titik di dalam proton. Eksperimen ini dalam arti tertentu sangat mirip dengan eksperimen Rutherford yang mengarah pada penemuan inti atom. Sebagai partikel komposit, proton memiliki dimensi berhingga = 10 * 10 dikurangi 13 cm, meskipun tentu saja tidak dapat direpresentasikan sebagai bola padat. Sebaliknya, proton menyerupai awan dengan batas kabur, terdiri dari partikel maya yang tercipta dan musnah.

Proton, seperti semua hadron, berpartisipasi dalam setiap interaksi mendasar. Jadi: interaksi kuat mengikat proton dan neutron dalam inti atom, interaksi elektromagnetik mengikat proton dan elektron dalam atom.”

Sumber: http://www.b-i-o-n.ru/theory/stroenie-fisicheskogvaku..

Dari definisi online tentang proton, dapat disimpulkan bahwa proton adalah partikel elementer karena memiliki massa fisik dan muatan serta meninggalkan jejak di ruang awan. Namun, menurut gagasan ilmuwan modern, ini bukanlah partikel elementer yang sebenarnya karena ia terdiri dari dua u-quark dan satu d-quark, yang saling berhubungan melalui pertukaran partikel hipotetis lainnya - gluon, kuanta medan yang membawa interaksi yang kuat...

Kesimpulan logis berikut diperoleh: di satu sisi, ia adalah partikel, dan di sisi lain, ia memiliki kualitas gelombang.

Mari kita beri perhatian khusus, para pembaca yang budiman, bahwa proton itu sendiri ditemukan secara tidak langsung dengan menyinari atom nitrogen dengan partikel alfa (inti helium berenergi tinggi), yaitu ditemukan dalam keadaan bergerak.

Selain itu, para pemikir terkasih, menurut gagasan ilmuwan modern, proton adalah “apel dalam kabut” dengan batas kabur, terdiri dari partikel virtual yang diciptakan dan dihancurkan.

Dan kini saatnya tiba, yang terletak pada pertanyaan tak terduga - Apa yang terjadi pada proton yang bergerak dengan kecepatan sangat tinggi setara dengan kecepatan cahaya?

Ilmuwan Igor Ivanov menjawab pertanyaan ini di halaman ilmiahnya “Apa bentuk proton yang terbang cepat”: http://elementy.ru/novosti_nauki/430940

Inilah yang dia tulis: “Perhitungan teoretis menunjukkan bahwa proton dan inti yang bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya tidak berbentuk piringan datar, melainkan lensa cekung ganda.

Dunia mikro hidup menurut hukum yang sangat berbeda dengan hukum dunia sekitar kita. Banyak orang telah mendengar tentang sifat gelombang materi atau bahwa ruang hampa dalam teori kuantum bukanlah kekosongan sama sekali, melainkan lautan partikel maya yang mendidih. Yang kurang diketahui adalah bahwa konsep “komposisi” partikel kompleks merupakan konsep relatif dalam mikrokosmos, bergantung pada cara Anda memandang partikel tersebut. Dan hal ini, pada gilirannya, mempengaruhi “bentuk” partikel penyusunnya, misalnya proton…

Proton adalah partikel majemuk. Proton biasanya dikatakan terbuat dari quark yang disatukan oleh medan gluon, namun uraian ini hanya berlaku untuk proton yang diam atau bergerak lambat. Jika sebuah proton terbang dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, maka akan lebih tepat jika digambarkan dalam bentuk awan quark, antiquark, dan gluon yang saling menembus. Bersama-sama mereka disebut "parton" (dari bahasa Inggris "part" - part).

Dalam teori kuantum, jumlah parton tidak tetap (ini umumnya berlaku untuk semua partikel). “Hukum non-kekekalan” ini muncul karena setiap parton dapat terpecah menjadi dua parton yang energinya lebih rendah atau sebaliknya, dua parton dapat bergabung kembali – bergabung menjadi satu. Kedua proses ini terjadi terus-menerus, dan sebagai hasilnya, sejumlah parton yang seimbang secara dinamis muncul dalam proton yang bergerak cepat. Selain itu, jumlah ini bergantung pada sistem acuan: semakin tinggi energi proton, semakin banyak parton yang dikandungnya.

Hasilnya adalah gambaran yang agak tidak terduga, yang sekilas bahkan bertentangan dengan teori relativitas. Ingatlah bahwa, sesuai dengan teori relativitas, ukuran memanjang benda yang bergerak cepat berkurang. Misalnya, sebuah bola (dalam kerangka diamnya) tampak seperti piringan yang sangat pipih bagi pengamat yang bergerak cepat. Namun, “aturan perataan” ini tidak dapat secara harfiah diterapkan pada proton, karena letak “batas proton” di ruang angkasa bergantung pada kerangka acuan.

Di satu sisi, ketika berpindah dari satu kerangka acuan ke kerangka acuan lainnya, awan parton justru cenderung mendatar sesuai dengan teori relativitas. Namun di sisi lain, lahirlah parton baru yang seolah “mengembalikan” ukuran memanjangnya. Secara umum, ternyata proton - yang hanya kumpulan awan parton - tidak mendatar sama sekali seiring bertambahnya energi..."

Momen kebenaran terus berlanjut, para pemikir yang budiman! Ini berlanjut dengan pertanyaan tak terduga dari pembaca kepada penulis Igor Ivanov, yang ditanyakan selama diskusi artikelnya “Bentuk apa yang dimiliki proton yang terbang cepat?”
Saya tidak akan memberikan semuanya, tetapi hanya beberapa yang dipilih dalam bentuk tanya jawab:

Ketika proton berenergi tinggi berbentuk "lensa lentikular", bagaimana hal ini sesuai dengan ketidakpastian Hesenberg?

Justru karena hubungan inilah dia mengambil bentuk ini. Lebih dekat ke tepi, momentum longitudinal gluon lunak lebih kecil, karena ketebalan longitudinalnya lebih besar.

Itu tidak mengecilkan waktu gamma sama sekali, tetapi tetap cukup "tebal".
Apa fungsi gelombang tebal proton?

2. Jawaban dari ilmuwan Igor Ivanov:

Bukankah ini jelas dari konteksnya?! “Tebal” dan bukan “tipis”, yaitu memiliki dimensi memanjang (yang relatif) besar!

Bukan itu yang aku tanyakan! Saya bertanya, apa yang Anda kaitkan dengan geometri? Untuk fungsi gelombang? Atau apakah Anda menganggapnya sebagai paket gelombang dan mencoba mendeskripsikannya? Berapa ukuran proton? Mungkin menurut Anda ini adalah beberapa sifat dari bagian diferensialnya atau bagaimana?

4. Jawaban dari ilmuwan Igor Ivanov:

Mengapa banyak tanda tanya? Ya, ukuran mengacu pada fungsi gelombang parton, yaitu gambaran Fourier dari distribusi parton pada momentum longitudinal. Saya telah menyediakan tautannya, Anda dapat membacanya lebih detail.

“Ya, ukuran berkaitan dengan fungsi gelombang parton,” - mungkin itu masih proton, dan bukan parton?! Saya tidak tahu bahwa fungsi gelombang parton adalah gambaran sebaran parton pada momentum longitudinal (apakah ada toftologi di sini?!)

5. Jawaban dari ilmuwan Igor Ivanov:

Maaf, tapi menurut saya Anda sudah melakukan trolling. Sudah saya kasih linknya, sekarang giliran anda yang mempelajarinya, jika anda memang tertarik dengan pertanyaan ini.

Anda benar - Saya mengolok-olok karena saya kurang setuju dengan deskripsi proton sebagai "tebal" dan "tipis"....

Saya akan memberi Anda, para pembaca saya yang penasaran, dialog lain antara manusia api baru dengan ilmuwan Igor Ivanov:

1. Pertanyaan dari orang baru:

Pada baris pertama "ukuran memanjang proton yang bergerak cepat" Anda mengganti ukuran partikel dengan gelombang panjang atau ukuran paket gelombang partikel. Hal ini kira-kira sama dengan mengatakan bahwa elektron bukanlah elektron titik, tetapi mempunyai dimensi berdasarkan radius Bohr, karena berada dalam atom hidrogen. Termasuk, jika kita menganggap proton diam, “dimensi longitudinalnya” akan lebih besar dari jari-jarinya.

1. Jawaban dari ilmuwan Igor Ivanov:

Tidak, saya tidak bingung membedakan kedua hal ini. Maksudku, ukuran proton setara dengan panjang gelombang parton penyusunnya. Hal ini sama dengan membandingkan ukuran atom hidrogen dan panjang gelombang elektron, bukan panjang seluruh atom, yang bisa jauh lebih besar dari ukurannya.
Anda tidak dapat menuju ke proton dalam keadaan diam, deskripsinya tidak sesuai.

2. Pemikiran Manusia Baru:

Maksud saya, ukuran proton setara dengan panjang gelombang parton penyusunnya. Hal ini sama dengan membandingkan ukuran atom hidrogen dan panjang gelombang elektron, bukan panjang seluruh atom, yang bisa jauh lebih besar dari ukurannya.
Inilah yang mengganggu saya. Jika panjang gelombang seluruh atom besar, jauh lebih besar dari ukuran atom, maka panjang gelombang elektron dalam atom juga besar.
Untuk memperkirakan ukuran atom, metode lain digunakan, yang disebut “transisi ke kerangka acuan pusat massa”. Tentu saja, kita berbicara tentang mengambil operator selisih dari sepasang partikel yang membentuk sistem (Inti-elektron).
Ketika panjang gelombang seluruh atom panjang, gelombang elektron dan inti, jika dianggap terpisah, memiliki korelasi yang kuat, sehingga perbedaan tersebut (nilai rata-rata) sama sekali tidak sama dengan panjang gelombang elektron. , dianggap dengan sendirinya. Demikian pula untuk parton, perbedaan koordinat harus diperkirakan.

3. Dan sekarang saya akan memberi Anda, para pembaca yang budiman, kesimpulan akhir dari orang lain yang bergabung dalam percakapan dengan ilmuwan Igor Ivanov:

Pertanyaan: Apa yang dimaksud dengan partikel? Mengapa tidak dapat dijelaskan secara lengkap dalam “istilah invarian” - misalnya, seperti muatan, simetri, penampang hamburan?
Ternyata struktur partikel adalah hasil perhitungan antara dan yang membingungkan bukanlah ketidakterobservasian eksperimentalnya, tetapi kurangnya makna fisik yang mendasar, karena strukturnya tidak melekat pada partikel itu sendiri dan berubah ketika partikel tersebut berada. kerangka acuan pengamat berubah.
Apakah masuk akal untuk mengatakan dalam kasus ini bahwa proton terdiri dari sesuatu? Kemungkinan besar ini adalah trik komputasi yang mudah...

Selain itu, saya heran bagaimana mungkin entitas non-invarian, seperti struktur partikel, dapat diperoleh dari persamaan invarian teori medan kuantum?!

Tuan dan Nyonya yang terhormat! Setelah membaca prasangka ilmuwan modern tentang struktur proton dan mendengarkan percakapan dengan ilmuwan Igor Ivanov, saya sampai pada kesimpulan yang tak terhapuskan berikut ini:

1. Sebuah proton tidak terdiri dari dua kuark-u dan satu kuark-d, yang saling berhubungan melalui pertukaran partikel hipotetis lainnya - gluon, kuanta medan yang membawa interaksi kuat.

2. Komposisi proton ditemukan oleh para ilmuwan sendiri demi kesimpulan dan trik komputasi mereka sendiri.

3. Kita tidak bisa menjawab pertanyaan paling sederhana tentang alam semesta, -
Apa itu partikel proton? Dan kita tidak dapat menembus rahasianya, karena kita terjebak dalam belantara teori yang salah - Teori Medan Kuantum, yang tidak dapat menjelaskan hal terpenting:

4. Bagaimana proton yang setengah partikel menjadi paket setengah gelombang?
Dan apa yang terjadi dengan waktu pada saat transisi setengah partikel menjadi paket setengah gelombang?

5. Kita telah melupakan waktu itu sendiri, tentang kelengkungannya pada saat peralihan dari dunia tiga dimensi ke dunia multidimensi.

Apakah dia partikel atau gelombang?

Rupanya saya punya gangguan
Mereka muncul karena suatu alasan
Setelah kata gluon cinta
Apakah proton mempunyai darah?

Dunia terpelajar berbicara, -
Seperti, proton - halo cinta,
Ini berisi tiga quark dan satu gluon,
Apa yang menyegel busur mereka.

Dia tidak duduk diam
Dan betapa apelnya bergetar
Dan kabut mata mabuk
Dia sering menuntun kita.

Dan kapan dia akan membawanya ke dadanya?
Sedikit saja kakimu,
Ia terbang seperti aliran menuju cahaya
Berikan potret itu kepada teman Anda.

Ini bukan gambar sederhana,
Menggambar dengan mimpi baru,
Dengan lensa cekung di matanya,
Dengan kata-kata yang berani, dalam mimpi yang berani.

Dia ada di sini, di sana, dan di sini.
Orang tidak akan memahaminya
Karena di otak mereka
Ketakutan masa kecil merana.

Hanya mereka yang suci hatinya
Melempar sehelai daun ke dalam jurang ilmu,
Akan menerima protonnya dengan hatinya
Dan dia akan mengetahui nada kebahagiaan...

Catatan: Keindahan proton yang diperbarui diambil dari otak Internet yang diperbarui.

Atom adalah partikel terkecil dari suatu unsur kimia yang mempertahankan semua sifat kimianya. Sebuah atom terdiri dari inti yang bermuatan listrik positif dan elektron yang bermuatan negatif. Muatan inti suatu unsur kimia sama dengan hasil kali Z dan e, di mana Z adalah nomor urut unsur tersebut dalam sistem periodik unsur kimia, e adalah nilai muatan listrik dasar.

Elektron adalah partikel terkecil suatu zat yang bermuatan listrik negatif e=1,6·10 -19 coulomb, dianggap sebagai muatan listrik dasar. Elektron yang berputar mengelilingi inti terletak pada kulit elektron K, L, M, dst. K adalah kulit yang paling dekat dengan inti. Besar kecilnya suatu atom ditentukan oleh besar kecilnya kulit elektronnya. Sebuah atom dapat kehilangan elektron dan menjadi ion positif atau memperoleh elektron dan menjadi ion negatif. Muatan suatu ion menentukan jumlah elektron yang hilang atau diperoleh. Proses mengubah atom netral menjadi ion bermuatan disebut ionisasi.

Inti atom(bagian tengah atom) terdiri dari partikel inti elementer - proton dan neutron. Jari-jari inti atom kira-kira seratus ribu kali lebih kecil dari jari-jari atom. Kepadatan inti atom sangat tinggi. proton- ini adalah partikel elementer stabil dengan muatan listrik positif tunggal dan massa 1836 kali massa elektron. Proton adalah inti atom dari unsur paling ringan, hidrogen. Jumlah proton dalam inti adalah Z. neutron adalah partikel elementer netral (tidak bermuatan listrik) dengan massa yang sangat dekat dengan massa proton. Karena massa inti terdiri dari massa proton dan neutron, jumlah neutron dalam inti atom sama dengan A - Z, di mana A adalah nomor massa suatu isotop tertentu (lihat). Proton dan neutron yang menyusun inti disebut nukleon. Di dalam inti, nukleon dihubungkan oleh gaya nuklir khusus.

Inti atom mengandung cadangan energi yang sangat besar, yang dilepaskan selama reaksi nuklir. Reaksi nuklir terjadi ketika inti atom berinteraksi dengan partikel elementer atau dengan inti unsur lainnya. Akibat reaksi nuklir, terbentuklah inti-inti baru. Misalnya, neutron dapat berubah menjadi proton. Dalam hal ini, partikel beta, yaitu elektron, dikeluarkan dari inti.

Transisi proton menjadi neutron dalam inti dapat dilakukan dengan dua cara: partikel dengan massa sama dengan massa elektron, tetapi bermuatan positif, yang disebut positron (peluruhan positron), dipancarkan dari inti, atau inti menangkap salah satu elektron dari kulit K yang paling dekat dengannya (K -capture).

Kadang-kadang inti yang dihasilkan memiliki kelebihan energi (berada dalam keadaan tereksitasi) dan, setelah kembali ke keadaan normal, melepaskan kelebihan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat pendek - . Energi yang dilepaskan selama reaksi nuklir praktis digunakan di berbagai industri.

Atom (Yunani atomos - tidak dapat dibagi) adalah partikel terkecil dari suatu unsur kimia yang memiliki sifat kimianya sendiri. Setiap unsur terdiri dari jenis atom tertentu. Atom terdiri dari inti, yang membawa muatan listrik positif, dan elektron bermuatan negatif (lihat), membentuk kulit elektronnya. Besarnya muatan listrik inti sama dengan Z-e, dimana e adalah muatan listrik dasar, sama besarnya dengan muatan elektron (4,8·10 -10 satuan listrik), dan Z adalah nomor atom unsur tersebut. dalam sistem periodik unsur kimia (lihat .). Karena atom yang tidak terionisasi bersifat netral, jumlah elektron yang terkandung di dalamnya juga sama dengan Z. Komposisi inti (lihat Inti atom) meliputi nukleon, partikel elementer dengan massa kira-kira 1840 kali lebih besar dari massa elektron. (sama dengan 9,1 · 10 - 28 g), proton (lihat), bermuatan positif, dan neutron tidak bermuatan (lihat). Jumlah nukleon dalam inti disebut nomor massa dan dilambangkan dengan huruf A. Jumlah proton dalam inti, sama dengan Z, menentukan jumlah elektron yang masuk ke dalam atom, struktur kulit elektron, dan bahan kimia. sifat-sifat atom. Jumlah neutron dalam inti adalah A-Z. Isotop adalah varietas dari unsur yang sama, yang atom-atomnya berbeda satu sama lain dalam nomor massa A, tetapi memiliki Z yang sama. Jadi, dalam inti atom dari isotop berbeda dari unsur yang sama terdapat jumlah neutron yang berbeda dengan jumlah yang sama. jumlah proton. Saat menyatakan isotop, nomor massa A ditulis di atas simbol unsur, dan nomor atom di bawah; misalnya, isotop oksigen ditetapkan:

Dimensi atom ditentukan oleh dimensi kulit elektron dan untuk semua Z bernilai orde 10 -8 cm, karena massa semua elektron suatu atom beberapa ribu kali lebih kecil dari massa inti , massa atom sebanding dengan nomor massa. Massa relatif atom suatu isotop tertentu ditentukan dalam kaitannya dengan massa atom isotop karbon C12, diambil 12 satuan, dan disebut massa isotop. Ternyata mendekati nomor massa isotop yang bersangkutan. Berat relatif atom suatu unsur kimia adalah nilai rata-rata (dengan mempertimbangkan kelimpahan relatif isotop suatu unsur) dari berat isotop dan disebut berat atom (massa).

Atom adalah sistem mikroskopis, dan struktur serta sifat-sifatnya hanya dapat dijelaskan dengan menggunakan teori kuantum, yang diciptakan terutama pada tahun 20-an abad ke-20 dan dimaksudkan untuk menggambarkan fenomena pada skala atom. Eksperimen telah menunjukkan bahwa mikropartikel - elektron, proton, atom, dll. - selain partikel sel, memiliki sifat gelombang, yang dimanifestasikan dalam difraksi dan interferensi. Dalam teori kuantum, untuk menggambarkan keadaan objek mikro, digunakan medan gelombang tertentu, yang dicirikan oleh fungsi gelombang (fungsi Ψ). Fungsi ini menentukan probabilitas kemungkinan keadaan suatu objek mikro, yaitu mencirikan kemungkinan potensial untuk manifestasi sifat-sifat tertentu. Hukum variasi fungsi Ψ ​​dalam ruang dan waktu (persamaan Schrodinger), yang memungkinkan seseorang menemukan fungsi ini, memainkan peran yang sama dalam teori kuantum seperti hukum gerak Newton dalam mekanika klasik. Memecahkan persamaan Schrödinger dalam banyak kasus menghasilkan kemungkinan keadaan sistem yang terpisah. Jadi, misalnya, dalam kasus atom, diperoleh serangkaian fungsi gelombang untuk elektron yang sesuai dengan nilai energi (terkuantisasi) yang berbeda. Sistem tingkat energi atom, yang dihitung dengan metode teori kuantum, telah mendapat konfirmasi cemerlang dalam spektroskopi. Transisi atom dari keadaan dasar yang sesuai dengan tingkat energi terendah E 0 ke salah satu keadaan tereksitasi E i terjadi ketika sebagian energi tertentu diserap E i - E 0 . Atom yang tereksitasi beralih ke keadaan kurang tereksitasi atau keadaan dasar, biasanya dengan memancarkan foton. Dalam hal ini, energi foton hv sama dengan perbedaan energi atom dalam dua keadaan: hv = E i - E k dengan h adalah konstanta Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v adalah frekuensi cahaya.

Selain spektrum atom, teori kuantum memungkinkan untuk menjelaskan sifat-sifat atom lainnya. Secara khusus, valensi, sifat ikatan kimia dan struktur molekul dijelaskan, dan teori tabel periodik unsur diciptakan.

Elektron bergerak mengelilingi inti dalam orbit melingkar, seperti Bumi yang mengorbit Matahari. Elektron dapat berpindah antara level-level ini, dan ketika mereka melakukannya, mereka akan menyerap foton atau memancarkan foton. Berapa ukuran proton dan apa itu?

Bahan penyusun utama alam semesta tampak

Proton adalah bahan penyusun dasar alam semesta tampak, namun banyak sifat-sifatnya, seperti jari-jari muatan dan momen magnet anomalinya, belum dipahami dengan baik. Apa itu proton? Ini adalah partikel subatom dengan muatan listrik positif. Sampai saat ini, proton dianggap sebagai partikel terkecil. Namun berkat teknologi baru, diketahui bahwa proton mengandung unsur yang lebih kecil lagi, partikel yang disebut quark, partikel fundamental sebenarnya dari materi. Proton dapat terbentuk sebagai hasil dari neutron yang tidak stabil.

Mengenakan biaya

Berapakah muatan listrik yang dimiliki proton? Ia mempunyai muatan unsur +1, yang dilambangkan dengan huruf "e" dan ditemukan pada tahun 1874 oleh George Stoney. Proton bermuatan positif (atau 1e), elektron bermuatan negatif (-1 atau -e), dan neutron tidak bermuatan sama sekali dan dapat disebut 0e. 1 muatan dasar sama dengan 1,602 × 10 -19 coulomb. Coulomb adalah sejenis satuan muatan listrik dan setara dengan satu ampere, yang berpindah secara stabil per detik.

Apa itu proton?

Segala sesuatu yang dapat Anda sentuh dan rasakan terbuat dari atom. Ukuran partikel kecil di dalam pusat atom ini sangat kecil. Meskipun unsur-unsur tersebut menyumbang sebagian besar berat atom, namun unsur-unsur tersebut masih sangat kecil. Faktanya, jika sebuah atom seukuran lapangan sepak bola, setiap protonnya hanya akan seukuran seekor semut. Proton tidak harus terbatas pada inti atom. Ketika proton berada di luar inti atom, mereka mempunyai sifat yang menarik, aneh, dan berpotensi berbahaya, mirip dengan neutron dalam keadaan serupa.

Namun proton mempunyai sifat tambahan. Karena bermuatan listrik, maka dapat dipercepat oleh medan listrik atau magnet. Proton berkecepatan tinggi dan inti atom yang mengandungnya dilepaskan dalam jumlah besar selama jilatan api matahari. Partikel-partikel tersebut dipercepat oleh medan magnet bumi, menyebabkan gangguan ionosfer yang dikenal sebagai badai geomagnetik.

Nomor proton, ukuran dan massa

Jumlah proton membuat setiap atom unik. Misalnya oksigen punya delapan, hidrogen hanya punya satu, dan emas sebanyak 79. Jumlah ini mirip dengan identitas unsurnya. Anda dapat belajar banyak tentang atom hanya dengan mengetahui jumlah protonnya. Ditemukan dalam inti setiap atom, ia mempunyai muatan listrik positif yang sama dan berlawanan dengan elektron unsur. Jika diisolasi, massanya hanya sekitar 1,673 -27 kg, sedikit lebih kecil dari massa neutron.

Jumlah proton dalam inti suatu unsur disebut nomor atom. Angka ini memberi setiap elemen identitas uniknya. Dalam atom suatu unsur tertentu, jumlah proton dalam inti selalu sama. Sebuah atom hidrogen sederhana memiliki inti yang hanya terdiri dari 1 proton. Inti semua unsur lainnya hampir selalu mengandung neutron selain proton.

Seberapa besar protonnya?

Tidak ada yang tahu pasti, dan itu masalahnya. Eksperimen tersebut menggunakan atom hidrogen yang dimodifikasi untuk mendapatkan ukuran proton. Ini adalah misteri subatom dengan konsekuensi besar. Enam tahun setelah fisikawan mengumumkan bahwa mereka mengukur ukuran proton terlalu kecil, para ilmuwan masih ragu mengenai ukuran sebenarnya. Ketika data baru muncul, misterinya semakin dalam.

Proton adalah partikel yang ditemukan di dalam inti atom. Selama bertahun-tahun, jari-jari proton tampaknya tetap pada sekitar 0,877 femtometer. Namun pada tahun 2010, Randolph Paul dari Institute of Quantum Optics. Max Planck di Garching, Jerman, menerima jawaban yang mengkhawatirkan dengan menggunakan teknik pengukuran baru.

Tim mengubah satu proton, satu komposisi elektron dari atom hidrogen, mengalihkan elektron tersebut ke partikel yang lebih berat yang disebut muon. Mereka kemudian mengganti atom yang diubah ini dengan laser. Mengukur perubahan tingkat energi yang dihasilkan memungkinkan mereka menghitung ukuran inti protonnya. Yang mengejutkan mereka, hasilnya 4% lebih rendah dibandingkan nilai tradisional yang diukur dengan cara lain. Eksperimen Randolph juga menerapkan teknik baru ini pada deuterium, sebuah isotop hidrogen yang memiliki satu proton dan satu neutron, yang secara kolektif dikenal sebagai deuteron, di dalam intinya. Namun, menghitung ukuran deuteron secara akurat membutuhkan waktu yang lama.

Eksperimen baru

Data baru menunjukkan bahwa masalah radius proton masih terus berlanjut. Beberapa eksperimen lagi sedang dilakukan di laboratorium Randolph Paul dan lainnya. Beberapa menggunakan teknik muon yang sama untuk mengukur ukuran inti atom yang lebih berat, seperti helium. Yang lain mengukur hamburan muon dan elektron secara bersamaan. Paul menduga penyebabnya mungkin bukan proton itu sendiri, melainkan pengukuran konstanta Rydberg yang salah, yaitu bilangan yang menggambarkan panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh atom yang tereksitasi. Namun konstanta ini diketahui berkat eksperimen presisi lainnya.

Penjelasan lain mengusulkan partikel baru yang menyebabkan interaksi tak terduga antara proton dan muon tanpa mengubah hubungannya dengan elektron. Ini bisa berarti bahwa teka-teki ini membawa kita melampaui model standar fisika partikel. “Jika suatu saat di masa depan seseorang menemukan sesuatu di luar model standar, inilah saatnya,” kata Paul, dengan perbedaan kecil pertama, lalu perbedaan lainnya, perlahan-lahan menciptakan perubahan yang lebih besar. Berapa ukuran sebenarnya dari sebuah proton? Hasil baru ini menantang teori fisika dasar.

Dengan menghitung pengaruh jari-jari proton terhadap jalur penerbangan, peneliti dapat memperkirakan jari-jari partikel proton yaitu 0,84184 femtometer. Sebelumnya, angka tersebut berkisar antara 0,8768 hingga 0,897 femtometer. Ketika mempertimbangkan jumlah yang begitu kecil, selalu ada kemungkinan kesalahan. Namun, setelah upaya yang sungguh-sungguh selama 12 tahun, anggota tim yakin akan keakuratan pengukuran mereka. Teorinya mungkin memerlukan beberapa penyesuaian, tetapi apa pun jawabannya, fisikawan akan bekerja keras dalam waktu lama untuk memecahkan masalah kompleks ini.

(QED) adalah teori yang prediksinya terkadang menjadi kenyataan dengan akurasi luar biasa, hingga seperseratus juta persen. Yang lebih mengejutkan adalah perbedaan antara kesimpulan QED dan data eksperimen baru.

“Hal yang paling elegan adalah jika beberapa kesalahan ditemukan dalam perhitungan,” kata salah satu penulis eksperimen ini, Randolph Pohl, “tetapi para ahli teori mempelajari segalanya dan sampai pada kesimpulan bahwa semuanya beres.” Mungkin masalahnya bukan karena protonnya ternyata lebih kecil dari ukuran yang dihitung, tapi kita tidak sepenuhnya memahami apa yang terjadi di dalamnya.

Untuk melakukan pengukuran seakurat mungkin, fisikawan tidak mengambil jalur langsung, tetapi pertama-tama membuat atom hidrogen non-standar. Ingatlah bahwa atom paling sederhana ini terdiri dari 1 proton sebagai inti dan 1 elektron yang berputar mengelilinginya. Lebih tepatnya, elektron adalah awan elektron yang dapat berubah menjadi berbagai keadaan kuantum - orbital dengan bentuk berbeda. Setiap orbital dicirikan oleh tingkat energi yang ditentukan secara ketat.

Namun, pada tahun 1947, sekelompok fisikawan Amerika yang dipimpin oleh calon pemenang Nobel Willis Lamb menemukan bahwa energi orbital tidak selalu sesuai dengan tingkat energi terkuantisasi yang diprediksi oleh teori. Pergeseran ini, disebut pergeseran Lamb, disebabkan oleh interaksi awan elektron dengan fluktuasi medan elektromagnetik. Penemuan inilah – dan pembenaran teoretisnya, yang segera dibuat oleh Hans Bethe – yang meletakkan dasar elektrodinamika kuantum, sebagai teori medan kuantum paling akurat hingga saat ini.

Maka Randolph Paul dan rekan-rekannya menghabiskan lebih dari 10 tahun untuk mencoba menetapkan batas keakuratan ini. Dengan menggunakan akselerator partikel di Swiss, mereka menciptakan atom hidrogen yang tidak biasa, di mana elektron digantikan oleh partikel lain, muon, yang memiliki muatan negatif satuan yang sama, tetapi beratnya 207 kali lebih berat daripada elektron dan sangat tidak stabil - masa hidupnya adalah sekitar 2 s. Para ilmuwan kemudian mengukur pergeseran Domba dalam “hidrogen muonik” ini. Karena muon jauh lebih berat daripada elektron, ia mengorbit lebih dekat ke proton itu sendiri dan berinteraksi secara berbeda dengan fluktuasi kuantum yang menyebabkan pergeseran tersebut. Dalam hal ini, ukurannya harus lebih besar dan lebih mudah diukur.

Pergeseran Lamb, diukur dengan akurasi tinggi, ternyata lebih tinggi dari prediksi QED, dan karena ini juga bergantung pada jari-jari proton, maka dihitung bahwa jari-jari ini adalah 0,84184 sepersejuta nanometer - 4% lebih kecil dari hasil yang diperoleh. dari pengukuran pada hidrogen konvensional.

Bisakah kita membicarakan kegagalan teori QED? Tidak mungkin, kata fisikawan teoritis Rusia Rudolf Faustov. Ia mengingatkan kita bahwa proton sendiri merupakan kombinasi quark dan gluon, yang disatukan oleh gaya yang kuat. Kompleksitas struktur ini membuatnya sangat sulit untuk mengukur interaksi elektromagnetik antara proton dan muon secara akurat. Dalam praktiknya, sulit untuk memisahkan beberapa interaksi dari interaksi lainnya dan memahami sejauh mana sifat proton dipengaruhi oleh kemunculan muon.

Proton adalah partikel stabil dari kelas hadron, inti atom hidrogen. Sulit untuk mengatakan peristiwa mana yang harus dianggap sebagai penemuan proton: karena ia telah dikenal sebagai ion hidrogen sejak lama. Penciptaan model atom planet oleh E. Rutherford (1911), penemuan isotop (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906 - 1919), dan pengamatan inti hidrogen yang dihancurkan oleh partikel alfa dari inti nitrogen berperan dalam penemuan proton (E. Rutherford, 1919). Pada tahun 1925, P. Blackett memperoleh foto pertama jejak proton di ruang awan (lihat Detektor Radiasi Nuklir), sekaligus mengkonfirmasi penemuan transformasi unsur buatan. Dalam percobaan ini, partikel alfa ditangkap oleh inti nitrogen, yang mengeluarkan proton dan diubah menjadi isotop oksigen.

Bersama dengan neutron, proton membentuk inti atom semua unsur kimia, dan jumlah proton dalam inti menentukan nomor atom suatu unsur (lihat Tabel Periodik Unsur Kimia).

Sebuah proton memiliki muatan listrik positif yang sama dengan muatan dasar, yaitu nilai absolut muatan elektron. Hal ini telah diverifikasi secara eksperimental dengan akurasi 10 -21. Massa proton m p = (938,2796 ± 0,0027) MeV atau ≈1,6 · 10 -24 g, yaitu proton 1836 kali lebih berat daripada elektron! Dari sudut pandang modern, proton bukanlah partikel yang benar-benar elementer: ia terdiri dari dua u-quark dengan muatan listrik +2/3 (dalam satuan muatan dasar) dan satu d-quark dengan muatan listrik -1/3. Quark saling berhubungan melalui pertukaran partikel hipotetis lainnya - gluon, kuanta medan yang membawa interaksi kuat. Data dari eksperimen yang memperhitungkan proses hamburan elektron pada proton memang menunjukkan adanya pusat hamburan titik di dalam proton. Eksperimen ini dalam arti tertentu sangat mirip dengan eksperimen Rutherford yang mengarah pada penemuan inti atom. Sebagai partikel komposit, proton memiliki ukuran terbatas ≈10 -13 cm, meskipun tentu saja tidak dapat direpresentasikan sebagai bola padat. Sebaliknya, proton menyerupai awan dengan batas kabur, terdiri dari partikel maya yang tercipta dan musnah.

Proton, seperti semua hadron, berpartisipasi dalam setiap interaksi mendasar. Jadi, interaksi kuat mengikat proton dan neutron dalam inti atom, interaksi elektromagnetik mengikat proton dan elektron dalam atom. Contoh interaksi lemah adalah peluruhan beta neutron n → p + e - + ν e atau transformasi intranuklir proton menjadi neutron dengan emisi positron dan neutrino p → n + e + + ν e (untuk a proton bebas proses seperti itu tidak mungkin dilakukan karena hukum kekekalan dan konversi energi, karena neutron memiliki massa yang sedikit lebih besar).

Putaran proton adalah 1/2. Hadron dengan putaran setengah bilangan bulat disebut baryon (dari kata Yunani yang berarti "berat"). Baryon mencakup proton, neutron, berbagai hiperon (Δ, Σ, Ξ, Ω) dan sejumlah partikel dengan bilangan kuantum baru, yang sebagian besar belum ditemukan. Untuk mengkarakterisasi baryon, angka khusus diperkenalkan - muatan baryon, sama dengan 1 untuk baryon, -1 untuk antibaryon, dan 0 untuk semua partikel lainnya. Muatan baryon bukanlah sumber medan baryon; ia diperkenalkan hanya untuk menggambarkan pola yang diamati dalam reaksi dengan partikel. Pola-pola ini dinyatakan dalam bentuk hukum kekekalan muatan baryon: perbedaan antara jumlah baryon dan antibaryon dalam sistem adalah kekal dalam setiap reaksi. Kekekalan muatan baryon membuat proton tidak mungkin meluruh, karena ini adalah baryon yang paling ringan. Hukum ini bersifat empiris dan tentunya harus diuji secara eksperimental. Keakuratan hukum kekekalan muatan baryon dicirikan oleh kestabilan proton, perkiraan eksperimental umurnya memberikan nilai tidak kurang dari 10 32 tahun.

Pada saat yang sama, dalam teori yang menyatukan semua jenis interaksi fundamental (lihat Kesatuan kekuatan alam), proses diperkirakan mengarah pada pelanggaran muatan baryon dan peluruhan proton (misalnya, p → π° + e +). Masa hidup proton dalam teori semacam itu tidak ditunjukkan secara akurat: kira-kira 10 32 ± 2 tahun. Waktu ini sangat besar, jauh lebih lama dibandingkan keberadaan Alam Semesta (≈2 10 10 tahun). Oleh karena itu, proton secara praktis stabil, sehingga memungkinkan terbentuknya unsur-unsur kimia dan pada akhirnya munculnya kehidupan berakal. Namun, pencarian peluruhan proton kini menjadi salah satu masalah terpenting dalam fisika eksperimental. Dengan masa hidup proton ≈10 32 tahun dalam volume air 100 m 3 (1 m 3 mengandung ≈10 30 proton), diperkirakan akan terjadi peluruhan satu proton per tahun. Yang tersisa hanyalah “hanya” mencatat pembusukan ini. Penemuan peluruhan proton akan menjadi langkah penting menuju pemahaman yang benar tentang kesatuan kekuatan alam.