Ars Technica · Разработка · 2 ч назад
Физики считают, что они решили загадку размера протона
«Мы считаем, что это последний гвоздь в гроб загадки радиуса протона».
Подробности
субатомный размер имеет значение Физики считают, что они решили загадку размера протона. «Мы считаем, что это последний гвоздь в гроб загадки радиуса протона».
«Мы считаем, что это последний гвоздь в гроб загадки радиуса протона», — сказал Ars Лотар Майзенбахер из Калифорнийского университета в Беркли, который был соавтором статьи в журнале Nature.
Как сообщалось ранее, большинство популяризаторов, обсуждающих структуру атома, опираются на широко оклеветанную модель Бора, в которой электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. Но квантовая механика дает нам гораздо более точное (хотя и более странное) описание. Электроны на самом деле не вращаются вокруг ядра; технически это волны, которые приобретают свойства частиц, когда мы проводим эксперимент по определению их положения. Находясь на орбите атома, они существуют в суперпозиции состояний, как частиц, так и волн, причем волновая функция охватывает сразу все вероятности его положения. Измерение разрушит волновую функцию, дав нам положение электрона. Сделайте серию таких измерений и нарисуйте различные полученные в результате положения, и это даст что-то вроде нечеткой орбитальной модели.
Квантовые странности распространяются и на протон. Технически он состоит из трех заряженных кварков, связанных между собой сильным ядерным взаимодействием. Но оно нечеткое, как облако. А как можно говорить о радиусе облака? При этом физики полагаются на плотность заряда, подобную плотности молекул воды в облаке. Радиус протона — это расстояние, на котором плотность заряда падает ниже определенного энергетического порога. И этот радиус можно измерить, изучая, как электрон взаимодействует с протоном, либо с помощью экспериментов по рассеянию электронов, либо с помощью электронной или мюонной спектроскопии, чтобы увидеть разницу между уровнями атомной энергии («лэмбовский сдвиг»). Комбинированная нечеткость электрона и протона означает, что электрон может находиться где угодно внутри этой области, в том числе внутри протона.
Атомы водорода — это простейшие ядра, в которых один протон вращается вокруг электрона, поэтому физики обычно используют его в своих экспериментах для измерения зарядового радиуса протона. Долгое время общепринятым значением было 0,876 фемтометра — «среднее мировое значение» многих различных измерений с достаточным диапазоном погрешностей, позволяющим проводить измерения в будущем.