Atomy jsou záhadné věci, které se v každodenním jazyce objevují nejrůznějšími nesouvisejícími způsoby. I když nejste odborníkem na chemii, pravděpodobně víte, že atom je extrémně nepatrná část hmoty a že veškerá hmota je tvořena alespoň jedním druhem atomu.
„Atomový“ jako adjektivum v chemii a fyzice je doslovný a odkazuje na vlastnost entity zvanou atom. V příležitostných kontextech, téměř výhradně díky událostem ve druhé světové válce, to znamená „výbušný“, což je zavádějící.
Sémantika stranou, atomy jsou zajímavé, protože i přes to, jak malé jsou, jsou složeny z ještě jemnějších věcí (s užitečnou podobou subatomárních částic). Až do konce 20. století nebylo jisté, zda jsou tyto tři primární subatomární samotné částice (protony, neutrony a elektrony) lze rozdělit na diskrétní strukturu elementy. Upozornění na spoiler: Mohou.
The proton je velkým zájmem pro fyziky a fyzikální chemiky z mnoha důvodů. Je to jedna ze dvou subatomárních struktur známých jako nukleony a je to ta, která nese pozitivní elektrický náboj, na rozdíl od svého podobně velkého společníka v atomovém středu.
Mezitím elektrony, i když jsou malé a neuvěřitelně vzdálené od jádra ve vztahu k velikosti atomu, zažívají silové interakce také s protony. Připravte se na seznámení s různými rozlišovacími znaky těchto základních entit.
Přehled atomu
S atomy už možná jste obecně obeznámeni, ale nikdy není špatný nápad mít před sebou základní věci, když začnete prozkoumávat jejich části podrobněji.
Od roku 2020 bylo 118 známých prvků nebo jednotlivých „variet“ atomů. Každý atom má jeden až 118 protonů, což je také atomové číslo v periodické tabulce prvků a číslo, které určuje identitu prvku. Všechny prvky kromě vodíku také zahrnují neutrony, které jsou hmotou velmi blízké protonům. Počet neutronů je stejný nebo blízký počtu protonů, s těmito variacemi prvků známých jako izotopy.
Hmotnost protonů a neutronů atomu tvoří téměř veškerou hmotnost atomu, protože třetí druh subatomární částice má pouze asi 1/18 800 hmotnosti protonu nebo neutronu.
Ale částice zavolaly elektrony jsou pro organizaci periodické tabulky životně důležité, protože jde o počet a uspořádání těchto záporně nabitých částice, které dávají jednotlivým prvkům jejich vazebné vlastnosti, tj. způsob, jakým se spojují (nebo se nepodaří) s jinými atomy.
Protony a neutrony jsou zabaleny dohromady v jádru, přičemž celkový počet těchto částic se pohybuje od 1 do více než 200 pro nejtěžší prvky. Je zajímavé, že pokud se přidá více protonů a neutronů, jádro se příliš nezvětší, ale atom jako celek ano.
Je to proto, že elektrony, jejichž počet je identický s protony, leží daleko za jádrem v „oblacích pravděpodobnosti“ což odpovídá energii a jejich velikost roste s atomovým číslem, i když jádro zůstává téměř stejné velikost.
Proton Essentials
Protony sedí v jádrech atomů a lze je z koncepčních důvodů považovat za sférické. Totéž platí o neutronech, a pokud byste chtěli vytvořit trojrozměrný model jednoduchého atomu, mohli byste zvolit protónově a neutronově různě zbarvené, ale stejně velké koule.
Hmotnost protonu je asi 1,67 × 10–27 kilogramů (kg). Hodnota neutronu je o něco větší, asi 1,69 × 10–27 kg a hmotnost elektronu je 9,11 × 10–31 kg. Hmotě protonu je také pro usnadnění přiřazena 1 atomová hmotnostní jednotka (amu). Tato jednotka se používá i pro jiné subatomární částice; hmotnost elektronů v amu (atomové hmotnostní jednotky) je 0,00055.
Náboj protonu se nazývá „plus jedna“ nebo +1 ve vztahu k jiným fyzickým částicím, protože tomu tak bylo kdysi věřili, že protony (a elektrony) představují nejmenší jednotky náboje, jaké v přírodě mohou mít. Velikost této hodnoty (pozitivní pro protony, negativní pro elektrony, díky čemuž jsou tyto částice navzájem přitahovány elektrostatickou silou) je 1,6 × 10–19 C.
Stojí za zmínku, jen proto, abychom ocenili práci fyziků a chemiků, že protony po dlouhou dobu byly nepovažuje se za projev úpadku (což znamená, že v podstatě existují „navždy“, jakmile se vytvoří), předpokládá se, že má poločas přibližně 1032 do 1033 let. Vzhledem k tomu, že samotný věk vesmíru je kolem 1,4 × 1010 radioaktivně vidět rozpad protonu by byl docela dobrý výkon na úrovni loterie!
Struktura protonu
Protony, i když jsou tak malé, jsou také složeny z jejich vlastních stavebních bloků. Protony i neutrony se ve skutečnosti skládají ze tří jednotlivých částic, které představují typy kvarků (více o nich brzy). Protony i neutrony se skládají z určité kombinace tří kvarků „nahoru“ a „dolů“. Ale pokud má proton náboj +1 a neutron je neutrální, jak to může být?
Odpověď spočívá ve skutečnosti, že +1 „jednotka“ nebo „základní“ náboj se nakonec ukáže být dělitelný, přinejmenším za zvláštních okolností kvarků. Pokud se proton skládá ze 2 kvarků nahoru a 1 kvarku dolů, zatímco neutron má 1 kvarky nahoru a 2 kvarky dolů, přiřazení náboje + (2/3) kvarku nahoru a - (2/3) kvarku dolů vyřeší problém.
- Existuje celkem šest kvarků: nahoru, dolů, nahoře, dole, kouzlo a zvláštní. (Vědci někdy mají zvláštní konvence pojmenování).
Uvažují se protony a neutrony baryony, nejtěžší třída částic hozených dohromady z kvarků. Spolu s mezony, patří do skupiny částic známých jako hadrony, které podléhají silné jaderné síle nebo „lepidlu“, které drží protony a neutrony pohromadě.
Proton Spin
Zatímco součet nábojů kvarků, které tvoří proton, dává celkový náboj protonu +1, není to tak jednoduché, pokud jde o moment hybnosti, vlastnost související s „spinem“.
Proton se ve skutečnosti neotáčí tak, jak se Země otáčí kolem své osy, ale „rotace“ je dobrý způsob, jak si představit vlastnost vnitřní nebo vestavěné, úhlové hybnost protonu (vzhledem k hodnotě 1/2), která pochází hlavně z interakcí mezi kvarky a částicemi zvanými leptony, které také tvoří určité subatomární částice.
Zajímavostí protonové rotace je, že fyzici dospěli ke správné hodnotě (1/2) pro špatnou důvodů, ale v 21. století dokázali harmonizovat dlouhodobé teoretické myšlenky s experimentálními Výsledek.
„Magické“ příspěvky k protonové mši
Hmotnost protonu by měla být menší, než je; sečtením hmotností jednotlivých kvarků získá výsledek jen asi 9 procent z hmotnosti naměřené protonové hmoty 1,67 × 10–27 kg. Co se děje přidat hmotu bez přidání hmoty?
V roce 2018 skupina fyziků použila vznikající a matematicky složitou techniku zvanou kvantová chromodynamika (QCD), nebo konkrétněji mřížka QCD, určit hmotnost protonu pomocí nestandardních prostředků. Stejně jako v případě protonové rotace byly tyto výsledky povzbudivé a poskytly pohled na to, odkud „hmota protonu“ pochází.
- Hmotnost subatomárních částic je často uvedena v elektronvoltynebo eV.