Sådan beregnes massen af ​​en proton

Atomer er mystiske ting, der vises på alle mulige ikke-relaterede måder i det daglige sprog. Selvom du ikke er en kemiekspert, ved du sandsynligvis, at atom er en ekstremt lille del af stof, og at alt stof består af mindst en slags atom.

"Atomisk" som et adjektiv inden for kemi og fysik er bogstaveligt og henviser til en egenskab ved enheden kaldet et atom. I afslappede sammenhænge, ​​næsten udelukkende takket være begivenheder i anden verdenskrig, betyder det "eksplosivt", hvilket er vildledende.

Bortset fra semantik er atomer interessante, fordi de til trods for, hvor små de faktisk er, består af endnu mindre ting (nyttigt kaldet subatomære partikler). Indtil slutningen af ​​det 20. århundrede var det ukendt med sikkerhed, om disse tre primære subatomære partikler (protoner, neutroner og elektroner) selv kunne adskilles i diskret struktur elementer. Spoiler alarm: De kan.

Det proton er af stor interesse for fysikere og fysiske kemikere af en række årsager. Det er en af ​​de to subatomære strukturer kendt som nukleoner, og det er den, der bærer en positiv elektrisk ladning, i modsætning til dens ledsager i samme størrelse i atomcentret.

I mellemtiden oplever elektroner, skønt de er små og umuligt fjernt fra kernen i forhold til atomets størrelse, også kraftinteraktioner med protoner. Forbered dig på at lære om de forskellige kendetegn ved disse grundlæggende enheder.

Du er måske allerede bekendt med atomer generelt, men det er aldrig en dårlig idé at have det væsentlige foran dig, når du begynder at udforske dele af det mere detaljeret.

Fra 2020 var der 118 kendte elementer eller individuelle "varianter" af atomer. Hvert atom har en til 118 protoner, hvilket også er atomnummeret i det periodiske system af elementer og antallet, der bestemmer elementets identitet. Alle elementer udover brint inkluderer også neutroner, som er meget tæt på protoner. Antallet af neutroner er det samme eller tæt på det som antallet af protoner, med disse variationer af elementer kendt som isotoper.

Massen af ​​et atoms protoner og neutroner tegner sig for næsten hele atommassen, fordi den tredje slags subatomære partikel kun har ca. 1/1800. Massen af ​​enten en proton eller en neutron.

Men partiklerne kaldte elektroner er meget vigtige for organisationen af ​​det periodiske system, for det er antallet og arrangementet af disse negativt ladede partikler, der giver individuelle elementer deres bindingsegenskaber, dvs. den måde, hvorpå de forbinder (eller ikke forbinder) med andre atomer.

Protonerne og neutronerne er pakket sammen i kernen, hvor det samlede antal af disse partikler varierer fra 1 til over 200 for de tungeste grundstoffer. Interessant nok stiger kernen ikke meget i størrelse, når flere protoner og neutroner tilføjes, men atomet som helhed gør det.

Dette skyldes, at elektronerne, identiske i antal til protoner, ligger langt uden for kernen i "sandsynlighedsskyer" svarende til energi, og størrelsen af ​​disse vokser med atomnummer, selvom kernen forbliver tæt på den samme størrelse.

Protoner sidder i atomernes kerner og kan betragtes som sfæriske til konceptuelle formål. Det samme gælder neutroner, og hvis du skulle lave en tredimensionel model af et simpelt atom, kunne du vælge forskellige farvede, men samme størrelse kugler til protonerne og neutronerne.

Massen af ​​en proton er ca. 1,67 × 10^–27 kg (kg). En neutron er meget lidt større, ca. 1,69 × 10^–27 kg, og den for en elektron er 9,11 × 10^–31 kg. Massen af ​​en proton er også tildelt 1 atommasseenhed (amu) for nemheds skyld. Denne enhed bruges også til andre subatomære partikler; massen af ​​elektroner i amu (atommasseenheder) er 0.00055.

Opladningen af ​​en proton kaldes "plus en" eller +1 i forhold til andre fysiske partikler, da den var engang troede, at protoner (og elektroner) repræsenterede de mindste ladningsenheder, som noget i naturen kan har. Størrelsen af ​​denne værdi (positiv for protoner, negativ for elektroner, hvilket gør disse partikler derfor tiltrukket af hinanden af ​​den elektrostatiske kraft) er 1,6 × 10–19 C.

Det er værd at bemærke, kun for at værdsætte fysikernes og kemikernes arbejde, at protoner i lang tid var ikke anses for at udvise forfald (hvilket betyder, at de grundlæggende eksisterer "for evigt", når de først er dannet) menes at have en halveringstid på ca. 10³² til 10³³ flere år. I betragtning af at alderen på selve universet er omkring 1,4 × 10¹⁰ år, at se et proton henfalde radioaktivt ville være noget af det lotteri-niveau!

Protoner, så små som de er, er også sammensat af deres egne byggesten. Både protoner og neutroner består faktisk af tre individuelle partikler, der repræsenterer typer kvarker (mere om dem snart). Både protoner og neutroner består af en kombination af tre "op" kvarker og "ned" kvarker. Men hvis protonen har en +1 ladning, og neutronen er neutral, hvordan kan dette være?

Svaret ligger i det faktum, at +1 "enhed" eller "grundlæggende" afgift viser sig at være delelig, når alt kommer til alt, i det mindste i den specielle situation med kvarker. Hvis en proton består af 2 op-kvarker og 1 ned-kvark, mens en neutron har 1 op-kvark og 2 ned-kvark, tildeles opladningen en + (2/3) til op-kvarken og - (2/3) til ned-kvarken løser problemet.

• Der er i alt seks kvarker kendt: op, ned, top, bund, charme og mærkelig. (Forskere har engang underlige navngivningskonventioner).
  

Protoner og neutroner overvejes baryoner, den tungeste klasse af partikler kastet sammen fra kvarker. Sammen med mesoner, de tilhører en gruppe partikler kendt som hadrons, som er underlagt den stærke atomkraft eller "limen", der holder protoner og neutroner sammen.

Mens summen af ​​ladningerne for kvarkerne, der udgør en proton, giver protonens samlede ladning på +1, er det ikke så simpelt, når det kommer til vinkelmoment, en egenskab relateret til "spin".

En proton roterer faktisk ikke som Jorden drejer omkring sin akse, men "spin" er en god måde at forestille sig egenskaberne ved iboende eller indbygget vinkel momentum af en proton (givet værdien 1/2), der hovedsagelig kommer fra interaktioner mellem kvarker og partikler kaldet leptoner, der også udgør visse subatomære partikler.

Det interessante ved protonspin er, at fysikere ankom den rigtige værdi (1/2) for det forkerte grunde, men har i det 21. århundrede været i stand til at harmonisere langvarige teoretiske ideer med eksperimentelle resultater.

Massen af ​​en proton skal være mindre end den er; tilføjelse af masserne af de enkelte kvarker giver kun et resultat på ca. 9 procent af den målte protonmasse på 1,67 × 10^–27 kg. Hvad foregår der for at tilføje masse uden at tilføje stof?

I 2018 brugte en gruppe fysikere en ny og matematisk kompleks teknik kaldet kvantekromodynamik (QCD) eller mere specifikt gitter QCD, for at bestemme massen af ​​en proton ved hjælp af ikke-standardiserede midler. Som med protonspin var disse resultater opmuntrende og gav indsigt i, hvor protonens masse "kommer fra".

• Masse for subatomære partikler er ofte angivet i elektronvolteller eV.