كيفية حساب كتلة البروتون

الذرات هي أشياء غامضة ، تظهر بكل أنواع الطرق غير ذات الصلة في اللغة اليومية. حتى لو لم تكن خبيرًا في الكيمياء ، فمن المحتمل أنك تعلم أن الذرة جزء صغير جدًا من المادة وأن كل المادة تتكون من نوع واحد على الأقل من الذرات.

"الذري" كصفة في الكيمياء والفيزياء هي صفة حرفية ، تشير إلى خاصية للكيان تسمى الذرة. في السياقات العرضية ، بفضل الأحداث التي وقعت في الحرب العالمية الثانية فقط ، فإن هذا يعني "المتفجرات" ، وهو أمر مضلل.

بغض النظر عن الدلالات ، فإن الذرات مثيرة للاهتمام لأنها ، على الرغم من صغر حجمها ، إلا أنها تتكون من أشياء أصغر حجمًا (تسمى بشكل مفيد الجسيمات دون الذرية). حتى أواخر القرن العشرين ، لم يكن معروفًا على وجه اليقين ما إذا كانت هذه العناصر دون الذرية الأولية الثلاثة يمكن فصل الجسيمات (البروتونات والنيوترونات والإلكترونات) نفسها إلى هيكلية منفصلة عناصر. تنبيه المفسد: يمكنهم ذلك.

ال بروتون له أهمية كبيرة للفيزيائيين والكيميائيين الفيزيائيين لعدد من الأسباب. إنه أحد التركيبين دون الذريين المعروفين بالنيوكليونات ، وهو الذي يحمل شحنة كهربائية موجبة ، على عكس رفيقه ذي الحجم المماثل في المركز الذري.

وفي الوقت نفسه ، فإن الإلكترونات ، على الرغم من صغر حجمها وبُعدها بشكل مستحيل عن النواة بالنسبة لحجم الذرة ، تشهد تفاعلات القوة مع البروتونات أيضًا. استعد للتعرف على السمات المميزة المختلفة لهذه الكيانات الأساسية.

قد تكون بالفعل على دراية بالذرات بشكل عام ، ولكن ليس من الجيد أبدًا أن تكون الأساسيات في مقدمة ذهنك عندما تبدأ في استكشاف أجزاء منها بمزيد من التفصيل.

اعتبارًا من عام 2020 ، كان هناك 118 عنصرًا معروفًا ، أو "نوعًا" فرديًا من الذرات. تحتوي كل ذرة على واحد إلى 118 بروتونًا ، وهو أيضًا العدد الذري في الجدول الدوري للعناصر والرقم الذي يحدد هوية العنصر. تشمل جميع العناصر إلى جانب الهيدروجين أيضًا النيوترونات، وهي قريبة جدًا من البروتونات في الكتلة. عدد النيوترونات هو نفسه أو قريب من عدد البروتونات ، مع هذه الاختلافات في العناصر المعروفة باسم النظائر.

تمثل كتلة البروتونات والنيوترونات في الذرة كل كتلة الذرة تقريبًا ، لأن النوع الثالث من الجسيمات دون الذرية يحتوي فقط على حوالي 1/800 من كتلة البروتون أو النيوترون.

لكن الجسيمات دعت الإلكترونات ذات أهمية حيوية لتنظيم الجدول الدوري ، لأنه عدد وترتيب هذه السالبة الشحنة الجسيمات التي تعطي العناصر الفردية خصائص الترابط الخاصة بها ، أي الطريقة التي ترتبط بها (أو تفشل في الاتصال) بالآخرين ذرات.

يتم تجميع البروتونات والنيوترونات معًا في النواة ، ويتراوح العدد الإجمالي لهذه الجسيمات من 1 إلى أكثر من 200 عنصر لأثقل العناصر. ومن المثير للاهتمام أن النواة لا تزداد كثيرًا في الحجم عند إضافة المزيد من البروتونات والنيوترونات ، ولكن الذرة ككل تزداد.

هذا لأن الإلكترونات ، المتطابقة في العدد مع البروتونات ، تقع بعيدًا عن النواة في "سحب الاحتمالية" يتوافق مع الطاقة ، ويزداد حجمها مع العدد الذري حتى مع بقاء النواة قريبة من نفسها بحجم.

تقع البروتونات في نوى الذرات ويمكن اعتبارها كروية للأغراض المفاهيمية. وينطبق الشيء نفسه على النيوترونات ، وإذا كنت ستصنع نموذجًا ثلاثي الأبعاد لذرة بسيطة ، فيمكنك اختيار كرات مختلفة الألوان ولكن بنفس الحجم للبروتونات والنيوترونات.

كتلة البروتون حوالي 1.67 × 10^–27 كيلوغرام (كلغ). إن النيوترون أكبر بقليل جدًا ، حوالي 1.69 × 10^–27 كجم ، والإلكترون 9.11 × 10^–31 كلغ. أيضًا ، يتم تخصيص كتلة بروتون واحدة (amu) للراحة. تستخدم هذه الوحدة للجسيمات دون الذرية الأخرى أيضًا ؛ كتلة الإلكترونات في amu (وحدات الكتلة الذرية) هي 0.00055.

تسمى شحنة البروتون "زائد واحد" أو +1 ، بالنسبة إلى الجسيمات الفيزيائية الأخرى ، منذ ذلك الحين اعتقد ذات مرة أن البروتونات (والإلكترونات) تمثل أصغر وحدات الشحن التي يمكن لأي شيء في الطبيعة القيام بها لديك. حجم هذه القيمة (موجب للبروتونات ، سالب للإلكترونات ، مما يجعل هذه الجسيمات تنجذب لبعضها البعض بواسطة القوة الكهروستاتيكية) هو 1.6 × 10-19 درجة مئوية.

من الجدير بالذكر ، فقط من أجل تقدير عمل الفيزيائيين والكيميائيين ، أن البروتونات كانت لفترة طويلة لا تعتبر معرضة للانحلال (بمعنى أنها موجودة أساسًا "إلى الأبد" بمجرد تشكلها) ، يُعتقد أن لها عمر نصف يبلغ حوالي 10³² حتى 10³³ سنوات. بالنظر إلى أن عمر الكون نفسه يبلغ حوالي 1.4 × 10¹⁰ سنوات ، فإن رؤية اضمحلال البروتون إشعاعيًا سيكون إنجازًا على مستوى اليانصيب!

تتكون البروتونات ، بقدر ما هي دقيقة ، من كتل بنائية خاصة بها. تتكون كل من البروتونات والنيوترونات ، في الواقع ، من ثلاثة جسيمات فردية تمثل أنواعًا من الكواركات (المزيد حول تلك الجسيمات قريبًا). تتكون كل من البروتونات والنيوترونات من مزيج من ثلاثة كواركات "علوية" و "سفلية". لكن إذا كان البروتون يحتوي على شحنة +1 ، والنيوترون محايد ، فكيف يكون ذلك؟

تكمن الإجابة في حقيقة أن شحنة +1 "وحدة" أو "أساسية" اتضح أنها قابلة للقسمة ، على الأقل في الظروف الخاصة للكواركات. إذا كان البروتون يتكون من 2 كوارك علوي و 1 كوارك سفلي بينما النيوترون يحتوي على 1 كوارك علوي و 2 كوارك سفلي ، فإن تعيين شحنة + (2/3) للكوارك العلوي و- (2/3) للكوارك السفلي يحل المشكلة.

• هناك ستة كواركات معروفة في المجموع: فوق ، أسفل ، أعلى ، أسفل ، سحر و غريب. (لدى العلماء أحيانًا اصطلاحات تسمية غريبة).
  

تعتبر البروتونات والنيوترونات باريونات أثقل فئة من الجسيمات تلتقي معًا من الكواركات. جنبا إلى جنب مع الميزونات، فهم ينتمون إلى مجموعة من الجسيمات تعرف باسم الهادرونات التي تخضع للقوة النووية الشديدة أو "الصمغ" الذي يربط البروتونات والنيوترونات معًا.

في حين أن جمع شحنات الكواركات التي تشكل البروتون يعطي الشحنة الكلية للبروتون +1 ، فإن الأمر ليس بهذه البساطة عندما يتعلق الأمر الزخم الزاوي، خاصية متعلقة بـ "تدور".

لا يدور البروتون في الواقع كما تفعل الأرض حول محوره ، ولكن "الدوران" طريقة جيدة لتصور خاصية الزاوي الجوهرية أو المضمنة زخم البروتون (بالنظر إلى القيمة 1/2) ، والذي يأتي بشكل أساسي من التفاعلات بين الكواركات والجسيمات المسماة اللبتونات والتي تشكل أيضًا بعض المواد دون الذرية. حبيبات.

الشيء المثير للاهتمام حول دوران البروتون هو أن الفيزيائيين توصلوا إلى القيمة الصحيحة (1/2) للخطأ الأسباب ، ولكن في القرن الحادي والعشرين تمكنت من مواءمة الأفكار النظرية القديمة مع التجريبية النتائج.

يجب أن تكون كتلة البروتون أقل مما هي عليه ؛ جمع كتل الكواركات الفردية يعطي نتيجة حوالي 9 بالمائة فقط من كتلة البروتون المقاسة 1.67 × 10^–27 كلغ. ما الذي يحدث لإضافة كتلة دون إضافة مادة؟

في عام 2018 ، استخدمت مجموعة من الفيزيائيين تقنية ناشئة ومعقدة رياضيًا تسمى الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) ، أو بشكل أكثر تحديدًا QCD شعرية، لتحديد كتلة البروتون باستخدام وسائل غير قياسية. كما هو الحال مع دوران البروتون ، كانت هذه النتائج مشجعة ، حيث قدمت رؤى حول من أين "تأتي" كتلة البروتون.

• غالبًا ما يتم إعطاء كتلة الجسيمات دون الذرية إلكترون فولت، أو eV.