Как да изчислим масата на протон

Атомите са мистериозни неща, които се появяват по всякакви несвързани начини в ежедневния език. Дори и да не сте специалист по химия, вероятно знаете, че атомът е изключително малка част от материята и че цялата материя се състои от поне един вид атом.

"Атомен" като прилагателно в химията и физиката е буквален, отнасящ се до свойство на обекта, наречено атом. В случаен контекст, благодарение почти единствено на събитията от Втората световна война, това означава „експлозив“, което е подвеждащо.

Настрана семантиката, атомите са интересни, защото, независимо колко малки са в действителност, те се състоят от още по-малки неща (услужливо наречени субатомни частици). До края на 20-ти век не беше известно със сигурност дали тези три основни субатомни самите частици (протони, неутрони и електрони) биха могли да бъдат разделени на дискретни структурни елементи. Предупреждение за спойлер: Те могат.

The протон представлява голям интерес за физиците и физиците-химици по ред причини. Това е една от двете субатомни структури, известни като нуклони, и тази, която носи положителен електрически заряд, в контраст с подобния си спътник в атомния център.

Междувременно електроните, макар и малки и невъзможно отдалечени от ядрото спрямо размера на атома, изпитват силови взаимодействия и с протоните. Подгответе се да научите за различните отличителни черти на тези основни единици.

Може би вече сте запознати с атомите като цяло, но никога не е лоша идея да имате най-важното в ума си, когато започнете да изследвате части от него по-подробно.

Към 2020 г. имаше 118 известни елемента или отделни „разновидности“ на атомите. Всеки атом има от един до 118 протона, което е и атомният номер в периодичната таблица на елементите и числото, което определя идентичността на елемента. Всички елементи освен водорода също включват неутрони, които са много близки по маса до протоните. Броят на неутроните е същият или близък до този на броя на протоните, като тези вариации на елементи са известни като изотопи.

Масата на протоните и неутроните на атома представлява почти цялата маса на атома, тъй като третият вид субатомни частици има само около 1/1800-ма маса на протон или неутрон.

Но частиците извикани електрони са жизненоважни за организацията на периодичната таблица, тъй като това е броят и подредбата на тези отрицателно заредени частици, които придават на отделните елементи техните свързващи свойства, т.е. начинът, по който те се свързват (или не успяват да се свържат) с други атоми.

Протоните и неутроните са опаковани заедно в ядрото, като общият брой на тези частици варира от 1 до над 200 за най-тежките елементи. Интересното е, че ядрото не се увеличава много по размер, когато се добавят повече протони и неутрони, но атомът като цяло го прави.

Това е така, защото електроните, идентични по брой на протоните, лежат далеч извън ядрото в "облаци на вероятността" съответстващи на енергията и размерът им нараства с атомно число, дори когато ядрото остава близо до същото размер.

Протоните седят в ядрата на атомите и могат да се считат за сферични за концептуални цели. Същото важи и за неутроните и ако трябваше да направите триизмерен модел на обикновен атом, можете да изберете различни цветове, но еднакви по размер топки за протоните и неутроните.

Масата на протон е около 1,67 × 10^–27 килограми (кг). Това на неутрон е много малко по-голямо, около 1,69 × 10^–27 кг, а този на електрон е 9,11 × 10^–31 килограма. Също така на масата на протон за удобство се приписва 1 атомна единица маса (amu). Това устройство се използва и за други субатомни частици; масата на електроните в аму (атомни единици за маса) е 0,00055.

Зарядът на протон се нарича "плюс един" или +1 по отношение на други физически частици, тъй като е бил някога вярвали, че протоните (и електроните) представляват най-малките зарядни единици, каквото и да е в природата имат. Величината на тази стойност (положителна за протоните, отрицателна за електроните, поради което тези частици се привличат една към друга от електростатичната сила) е 1,6 × 10–19 C.

Заслужава да се отбележи, само за да се оцени работата на физиците и химиците, че протоните дълго време са били не се счита, че проявяват разпад (което означава, че те в основата си съществуват „завинаги“, след като са се образували), се смята, че имат период на полуразпад около 10³² до 10³³ години. Като се има предвид, че възрастта на самата Вселена е около 1,4 × 10¹⁰ години, да видите радиоактивен разпад на протон, би било доста лотариен подвиг!

Протоните, колкото и да са малки, също са съставени от собствени градивни елементи. И протоните, и неутроните всъщност се състоят от три отделни частици, които представляват видове кварки (повече за тях скоро). И протоните, и неутроните се състоят от някаква комбинация от три кварка "нагоре" и "надолу". Но ако протонът има +1 заряд и неутронът е неутрален, как може да бъде това?

Отговорът се крие във факта, че +1 "единица" или "основен" заряд се оказва делим, в края на краищата, поне при особените обстоятелства на кварките. Ако протонът се състои от 2 кварка нагоре и 1 кварк надолу, докато неутронът има 1 кварк нагоре и 2 кварка надолу, определянето на заряд от + (2/3) към горния кварк и - (2/3) към низходящия кварк решава проблемът.

• Има общо шест кварка: нагоре, надолу, отгоре, отдолу, чар и странно. (Учените понякога имат странни конвенции за именуване).
  

Разглеждат се протони и неутрони бариони, най-тежкият клас частици, хвърлени заедно от кварки. Заедно с мезони, те принадлежат към група частици, известни като адрони, които са подвластни на силната ядрена сила или „лепилото“, което държи протоните и неутроните заедно.

Докато сумирането на зарядите на кварките, които съставляват протон, дава общия заряд на протона от +1, не е толкова просто, когато става въпрос за ъглов момент, свойство, свързано със „завъртане“.

Протонът всъщност не се върти, както Земята около оста си, но „въртенето“ е добър начин да си представите свойството на присъщи или вградени ъглови импулс на протон (като се има предвид стойността 1/2), който идва главно от взаимодействия между кварки и частици, наречени лептони, които също съставляват определени субатомни частици.

Интересното при въртенето на протона е, че физиците са достигнали правилната стойност (1/2) за грешната причини, но през 21 век са успели да хармонизират дългогодишните теоретични идеи с експерименталните резултати.

Масата на протон трябва да бъде по-малка, отколкото е; сумирането на масите на отделните кварки дава резултат само около 9% от този на измерената протонна маса от 1,67 × 10^–27 килограма. Какво се случва за добавяне на маса без добавяне на материя?

През 2018 г. група физици използваха нововъзникваща и математически сложна техника, наречена квантова хромодинамика (QCD) или по-конкретно решетъчна QCD, за да се определи масата на протон, използвайки нестандартни средства. Както при спин на протона, тези резултати бяха обнадеждаващи, предлагайки прозрение за това откъде идва „масата на протона“.

• Масата за субатомни частици често се дава в електрон-волтаили eV.