So berechnen Sie die Masse eines Protons

Atome sind mysteriöse Dinge, die in der Alltagssprache auf alle möglichen Arten auftreten. Auch wenn Sie kein Chemieexperte sind, wissen Sie wahrscheinlich, dass es sich bei Atomen um einen extrem kleinen Teil der Materie handelt und dass alle Materie aus mindestens einer Art von Atom besteht.

"Atom" als Adjektiv in Chemie und Physik ist wörtlich und bezieht sich auf eine Eigenschaft der als Atom bezeichneten Einheit. In beiläufigen Kontexten, fast ausschließlich aufgrund der Ereignisse im Zweiten Weltkrieg, bedeutet es "explosiv", was irreführend ist.

Abgesehen von der Semantik sind Atome interessant, weil sie trotz ihrer winzigen Größe aus noch winzigeren Dingen bestehen (hilfreicherweise als subatomare Teilchen bezeichnet). Bis Ende des 20. Jahrhunderts war es nicht sicher, ob diese drei primären subatomaren Teilchen (Protonen, Neutronen und Elektronen) selbst könnten in diskrete Elemente. Spoiler-Alarm: Sie können.

Das Proton ist aus mehreren Gründen für Physiker und Physikalische Chemiker von großem Interesse. Es ist eine der beiden subatomaren Strukturen, die als Nukleonen bekannt sind, und sie trägt eine positive elektrische Ladung, im Gegensatz zu ihrem ähnlich großen Begleiter im Atomzentrum.

Unterdessen erfahren Elektronen, obwohl sie winzig und im Verhältnis zur Größe des Atoms unglaublich weit vom Kern entfernt sind, auch Kraftwechselwirkungen mit Protonen. Bereiten Sie sich darauf vor, die verschiedenen Unterscheidungsmerkmale dieser grundlegenden Einheiten kennenzulernen.

Sie sind vielleicht schon mit Atomen im Allgemeinen vertraut, aber es ist nie eine schlechte Idee, das Wesentliche im Kopf zu haben, wenn Sie beginnen, Teile davon genauer zu erforschen.

Im Jahr 2020 gab es 118 bekannte Elemente oder einzelne "Sorten" von Atomen. Jedes Atom hat ein bis 118 Protonen, was auch die Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente ist und die Zahl, die die Identität des Elements bestimmt. Alle Elemente außer Wasserstoff enthalten auch Neutronen, deren Masse den Protonen sehr ähnlich ist. Die Anzahl der Neutronen ist gleich oder nahe der Anzahl der Protonen, wobei diese Variationen der Elemente als bekannt sind Isotope.

Die Masse der Protonen und Neutronen eines Atoms macht fast die gesamte Masse des Atoms aus, denn die dritte Art von subatomaren Teilchen hat nur etwa 1/1800 der Masse eines Protons oder eines Neutrons.

Aber die Teilchen namens Elektronen sind für die Organisation des Periodensystems von entscheidender Bedeutung, denn es ist die Anzahl und Anordnung dieser negativ geladenen Partikel, die einzelnen Elementen ihre Bindungseigenschaften verleihen, d. h. die Art und Weise, wie sie sich mit anderen verbinden (oder nicht verbinden) Atome.

Die Protonen und Neutronen sind im Kern zusammengepackt, wobei die Gesamtzahl dieser Teilchen von 1 bis über 200 für die schwersten Elemente reicht. Interessanterweise nimmt der Kern nicht viel an Größe zu, wenn mehr Protonen und Neutronen hinzugefügt werden, wohl aber das Atom als Ganzes.

Dies liegt daran, dass die Elektronen, zahlengleich mit Protonen, weit außerhalb des Kerns in "Wahrscheinlichkeitswolken" liegen. entsprechend der Energie, und ihre Größe wächst mit der Ordnungszahl, selbst wenn der Kern nahe bei der gleichen bleibt Größe.

Protonen sitzen in den Kernen von Atomen und können für konzeptionelle Zwecke als kugelförmig betrachtet werden. Das gleiche gilt für Neutronen, und wenn Sie ein dreidimensionales Modell eines einfachen Atoms erstellen würden, könnten Sie verschiedenfarbige, aber gleich große Kugeln für die Protonen und Neutronen wählen.

Die Masse eines Protons beträgt etwa 1,67 × 10^–27 Kilogramm (kg). Die eines Neutrons ist sehr geringfügig größer, etwa 1,69 × 10^–27 kg, und die eines Elektrons beträgt 9,11 × 10^–31 kg. Außerdem wird der Masse eines Protons der Einfachheit halber 1 Atommasseneinheit (amu) zugewiesen. Diese Einheit wird auch für andere subatomare Teilchen verwendet; die Masse der Elektronen in amu (atomaren Masseneinheiten) beträgt 0,00055.

Die Ladung eines Protons wird im Verhältnis zu anderen physikalischen Teilchen "plus Eins" oder +1 genannt, da sie glaubte einmal, dass Protonen (und Elektronen) die kleinsten Ladungseinheiten darstellen, die in der Natur möglich sind haben. Die Größe dieses Wertes (positiv für Protonen, negativ für Elektronen, wodurch diese Teilchen durch die elektrostatische Kraft angezogen werden) beträgt 1,6 × 10–19 C.

Es ist erwähnenswert, nur um die Arbeit der Physiker und Chemiker zu würdigen, dass Protonen lange Zeit Es wird nicht davon ausgegangen, dass sie Zerfall aufweisen (was bedeutet, dass sie im Grunde "für immer" existieren, wenn sie einmal gebildet wurden), haben eine Halbwertszeit von etwa 10³² bis 10³³ Jahre. Wenn man bedenkt, dass das Alter des Universums selbst etwa 1,4 × 10. beträgt¹⁰ Jahren, einen radioaktiven Zerfall eines Protonens zu sehen, wäre eine wahre Meisterleistung im Lotto!

Auch Protonen, so winzig sie auch sind, bestehen aus eigenen Bausteinen. Sowohl Protonen als auch Neutronen bestehen tatsächlich aus drei einzelnen Teilchen, die Quarks-Typen darstellen (mehr dazu in Kürze). Sowohl Protonen als auch Neutronen bestehen aus einer Kombination von drei "up"-Quarks und "down"-Quarks. Aber wenn das Proton eine Ladung von +1 hat und das Neutron neutral ist, wie kann das sein?

Die Antwort liegt darin, dass sich die +1-"Einheit"- oder "Grund"-Ladung zumindest im besonderen Umstand der Quarks doch als teilbar erweist. Wenn ein Proton aus 2 Up-Quarks und 1 Down-Quark besteht, während ein Neutron aus 1 Up-Quark und 2 Down-Quarks besteht, wird die Zuordnung einer Ladung von +(2/3) zum Up-Quark und –(2/3) zum Down-Quark aufgelöst die Angelegenheit.

• Insgesamt sind sechs Quarks bekannt: oben, unten, oben, unten, Charme und seltsam. (Wissenschaftler haben manchmal seltsame Namenskonventionen).
  

Protonen und Neutronen werden berücksichtigt Baryonen, die schwerste Teilchenklasse, die aus Quarks zusammengewürfelt wird. Zusammen mit Mesonen, sie gehören zu einer Gruppe von Teilchen, die als bekannt sind Hadronen, die der starken Kernkraft oder dem "Klebstoff" ausgesetzt sind, der Protonen und Neutronen zusammenhält.

Während die Summe der Ladungen der Quarks, aus denen ein Proton besteht, die Gesamtladung des Protons von +1 ergibt, ist es nicht so einfach, wenn es um geht Drehimpuls, eine Eigenschaft, die sich auf "Spin" bezieht.

Ein Proton rotiert nicht wirklich wie die Erde um seine Achse, aber "Spin" ist eine gute Möglichkeit, sich die Eigenschaft des intrinsischen oder eingebauten Winkels vorzustellen Impuls eines Protons (mit dem Wert 1/2), der hauptsächlich aus Wechselwirkungen zwischen Quarks und Teilchen, den sogenannten Leptonen, stammt, die auch bestimmte subatomare Partikel.

Das Interessante am Protonenspin ist, dass die Physiker den richtigen Wert (1/2) für den falschen gefunden haben Gründen, sondern im 21. Jahrhundert in der Lage gewesen, langjährige theoretische Ideen mit experimentellen Ergebnisse.

Die Masse eines Protons sollte geringer sein als sie ist; Aufsummieren der Massen der einzelnen Quarks ergibt nur etwa 9 Prozent der gemessenen Protonenmasse von 1,67 × 10^–27 kg. Was geschieht, um Masse hinzuzufügen, ohne Materie hinzuzufügen?

Im Jahr 2018 verwendete eine Gruppe von Physikern eine aufkommende und mathematisch komplexe Technik namens Quantenchromodynamik (QCD) oder genauer Gitter QCD, um die Masse eines Protons mit nicht standardisierten Mitteln zu bestimmen. Wie beim Protonenspin waren diese Ergebnisse ermutigend und geben Aufschluss darüber, woher die Masse des Protons "kommt".

• Masse für subatomare Teilchen wird oft in. angegeben Elektronenvolt, oder eV.