Πώς να υπολογίσετε τη μάζα ενός πρωτονίου

Τα άτομα είναι μυστηριώδη πράγματα, που εμφανίζονται με κάθε είδους άσχετους τρόπους στην καθημερινή γλώσσα. Ακόμα κι αν δεν είστε ειδικός στη χημεία, πιθανώς γνωρίζετε ότι στο άτομο είναι ένα εξαιρετικά μικρό μέρος της ύλης και ότι όλη η ύλη αποτελείται από τουλάχιστον ένα είδος ατόμου.

Το "Atomic" ως επίθετο στη χημεία και τη φυσική είναι κυριολεκτικό, αναφέρεται σε μια ιδιότητα της οντότητας που ονομάζεται άτομο. Σε περιστασιακά περιβάλλοντα, χάρη σχεδόν αποκλειστικά στα γεγονότα του δεύτερου παγκόσμιου πολέμου, αυτό σημαίνει "εκρηκτικό", το οποίο είναι παραπλανητικό.

Εκτός από τη σημασιολογία, τα άτομα είναι ενδιαφέροντα επειδή, παρά το πόσο μικροσκοπικά είναι, αποτελούνται από ακόμη και πιο μικροσκοπικά πράγματα (χρήσιμα ονομάζονται υποατομικά σωματίδια). Μέχρι τα τέλη του 20ού αιώνα, ήταν άγνωστο με βεβαιότητα εάν αυτά τα τρία κύρια υποατομικά σωματίδια (πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια) θα μπορούσαν να διαχωριστούν σε διακριτή δομή στοιχεία. Ειδοποίηση Spoiler: Μπορούν.

ο πρωτόνιο έχει μεγάλο ενδιαφέρον για τους φυσικούς και τους φυσικούς χημικούς για διάφορους λόγους. Είναι μία από τις δύο υποατομικές δομές που είναι γνωστές ως νουκλεόνια και είναι αυτή που φέρει ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο, σε αντίθεση με τον παρόμοιο μεγέθους σύντροφό του στο ατομικό κέντρο.

Εν τω μεταξύ, τα ηλεκτρόνια, αν και μικροσκοπικά και απίθανα απομακρυσμένα από τον πυρήνα σε σχέση με το μέγεθος του ατόμου, βιώνουν επίσης αλληλεπιδράσεις με τα πρωτόνια. Προετοιμαστείτε για να μάθετε για τα διάφορα χαρακτηριστικά γνωρίσματα αυτών των θεμελιωδών οντοτήτων.

Ίσως να είστε ήδη εξοικειωμένοι με τα άτομα γενικά, αλλά δεν είναι ποτέ κακή ιδέα να έχετε τα απαραίτητα στο μπροστινό μέρος του μυαλού σας όταν αρχίζετε να εξερευνάτε μέρη του με περισσότερες λεπτομέρειες.

Από το 2020, υπήρχαν 118 γνωστά στοιχεία ή μεμονωμένες "ποικιλίες" ατόμων. Κάθε άτομο έχει ένα έως 118 πρωτόνια, που είναι επίσης ο ατομικός αριθμός στον περιοδικό πίνακα στοιχείων και ο αριθμός που καθορίζει την ταυτότητα του στοιχείου. Όλα τα στοιχεία εκτός από το υδρογόνο περιλαμβάνουν επίσης νετρόνια, τα οποία βρίσκονται πολύ κοντά στα πρωτόνια. Ο αριθμός των νετρονίων είναι ο ίδιος ή κοντά στον αριθμό των πρωτονίων, με αυτές τις παραλλαγές στοιχείων γνωστά ως ισότοπα.

Η μάζα των πρωτονίων και των νετρονίων ενός ατόμου αντιπροσωπεύει σχεδόν όλη τη μάζα του ατόμου, επειδή το τρίτο είδος υποατομικού σωματιδίου έχει μόνο περίπου 1 / 1.800 τη μάζα είτε ενός πρωτονίου είτε ενός νετρονίου.

Αλλά τα σωματίδια κάλεσαν ηλεκτρόνια είναι ζωτικής σημασίας για την οργάνωση του περιοδικού πίνακα, γιατί είναι ο αριθμός και η διάταξη αυτών των αρνητικά φορτισμένων σωματίδια που δίνουν σε μεμονωμένα στοιχεία τις ιδιότητες συγκόλλησης τους, δηλαδή τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται (ή αποτυγχάνουν να συνδεθούν) με άλλα άτομα.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συσκευάζονται μαζί στον πυρήνα, με τον συνολικό αριθμό αυτών των σωματιδίων να κυμαίνεται από 1 έως πάνω από 200 για τα βαρύτερα στοιχεία. Είναι ενδιαφέρον ότι ο πυρήνας δεν αυξάνεται πολύ σε μέγεθος όταν προστίθενται περισσότερα πρωτόνια και νετρόνια, αλλά το άτομο στο σύνολό του αυξάνεται.

Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηλεκτρόνια, πανομοιότυπα σε αριθμό με πρωτόνια, βρίσκονται πολύ έξω από τον πυρήνα σε "πιθανά σύννεφα" αντιστοιχεί στην ενέργεια, και το μέγεθος αυτών αυξάνεται με ατομικό αριθμό ακόμη και όταν ο πυρήνας παραμένει κοντά στον ίδιο Μέγεθος.

Τα πρωτόνια κάθονται στους πυρήνες των ατόμων και μπορεί να θεωρηθούν ως σφαιρικά για εννοιολογικούς σκοπούς. Το ίδιο ισχύει και για τα νετρόνια, και αν επρόκειτο να φτιάξετε ένα τρισδιάστατο μοντέλο ενός απλού ατόμου, θα μπορούσατε να επιλέξετε μπάλες διαφορετικού χρώματος αλλά ίδιου μεγέθους για τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Η μάζα ενός πρωτονίου είναι περίπου 1,67 × 10^–27 κιλά (kg). Αυτό του νετρονίου είναι πολύ ελαφρώς μεγαλύτερο, περίπου 1,69 × 10^–27 kg, και αυτό ενός ηλεκτρονίου είναι 9,11 × 10^–31 κιλό. Επίσης, στη μάζα ενός πρωτονίου εκχωρείται 1 μονάδα ατομικής μάζας (amu) για ευκολία. Αυτή η μονάδα χρησιμοποιείται και για άλλα υποατομικά σωματίδια. η μάζα των ηλεκτρονίων σε amu (μονάδες ατομικής μάζας) είναι 0,00055.

Το φορτίο ενός πρωτονίου ονομάζεται "συν ένα" ή +1, σε σχέση με άλλα φυσικά σωματίδια, από τότε που ήταν κάποτε πίστευαν ότι τα πρωτόνια (και τα ηλεκτρόνια) αντιπροσώπευαν τις μικρότερες μονάδες φόρτισης οτιδήποτε μπορεί στη φύση έχω. Το μέγεθος αυτής της τιμής (θετικό για πρωτόνια, αρνητικό για ηλεκτρόνια, καθιστώντας αυτά τα σωματίδια προσελκύονται το ένα το άλλο από την ηλεκτροστατική δύναμη) είναι 1,6 × 10-19 C.

Αξίζει να σημειωθεί, μόνο για να εκτιμήσουμε το έργο των φυσικών και των χημικών, ότι τα πρωτόνια για μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν δεν θεωρείται ότι παρουσιάζει φθορά (που σημαίνει ότι υπάρχουν βασικά «για πάντα» μόλις σχηματιστούν), πιστεύεται ότι έχουν χρόνο ημιζωής περίπου 10³² έως 10³³ χρόνια. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ηλικία του ίδιου του σύμπαντος είναι περίπου 1,4 × 10¹⁰ χρόνια, βλέποντας ραδιενεργά τη διάσπαση πρωτονίων θα ήταν αρκετά κατόρθωμα σε επίπεδο λοταρίας!

Τα πρωτόνια, όσο λεπτό είναι, αποτελούνται επίσης από τα δικά τους δομικά στοιχεία. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, στην πραγματικότητα, αποτελούνται από τρία μεμονωμένα σωματίδια που αντιπροσωπεύουν τύπους κουάρκ (περισσότερα σε αυτά σύντομα). Τόσο τα πρωτόνια όσο και τα νετρόνια αποτελούνται από έναν συνδυασμό τριών κουάρκ "άνω" και "κάτω" κουάρκ. Αλλά αν το πρωτόνιο έχει φόρτιση +1 και το νετρόνιο είναι ουδέτερο, πώς μπορεί να είναι αυτό;

Η απάντηση έγκειται στο γεγονός ότι η φόρτιση +1 "μονάδα" ή "θεμελιώδης" αποδεικνύεται τελικά διαιρετή, τουλάχιστον στην ειδική περίσταση των κουάρκ. Εάν ένα πρωτόνιο αποτελείται από 2 κουάρκ προς τα πάνω και 1 κουάρκ προς τα κάτω, ενώ ένα νετρόνιο έχει 1 κουάρκ προς τα πάνω και 2 κουάρκ προς τα κάτω, εκχωρώντας ένα φορτίο + (2/3) στο επάνω κουάρκ και - (2/3) στο κάτω κουάρκ επιλύει το θέμα.

• Υπάρχουν έξι γνωστά κουάρκ: πάνω, κάτω, πάνω, κάτω, γοητεία και παράξενος. (Οι επιστήμονες κάποτε έχουν περίεργες συμβάσεις ονομασίας).
  

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια λαμβάνονται υπόψη βαριόνια, τη βαρύτερη κατηγορία σωματιδίων που ρίχνονται μαζί από κουάρκ. Μαζί με μεσόνια, ανήκουν σε μια ομάδα σωματιδίων γνωστή ως αδρονίων, που υπόκεινται στην ισχυρή πυρηνική δύναμη ή στην "κόλλα" που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Ενώ το άθροισμα των φορτίων των κουάρκ που αποτελούν ένα πρωτόνιο δίνει το συνολικό φορτίο του πρωτονίου +1, δεν είναι τόσο απλό όταν πρόκειται για στροφορμή, μια ιδιότητα που σχετίζεται με το "spin."

Ένα πρωτόνιο δεν περιστρέφεται στην πραγματικότητα όπως η Γη γύρω από τον άξονά του, αλλά το "περιστροφή" είναι ένας καλός τρόπος να οραματιστεί την ιδιότητα της εγγενής ή ενσωματωμένης γωνιακής ορμή ενός πρωτονίου (δεδομένης της τιμής 1/2), η οποία προέρχεται κυρίως από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκ και των σωματιδίων που ονομάζονται λεπτόνια που αποτελούν επίσης ορισμένα υποατομικά σωματίδια.

Το ενδιαφέρον για την περιστροφή πρωτονίων είναι ότι οι φυσικοί έφτασαν στη σωστή τιμή (1/2) για το λάθος λόγους, αλλά τον 21ο αιώνα μπόρεσαν να εναρμονίσουν μακροχρόνιες θεωρητικές ιδέες με πειραματικές Αποτελέσματα.

Η μάζα ενός πρωτονίου πρέπει να είναι μικρότερη από ό, τι είναι. Προσθέτοντας τις μάζες των μεμονωμένων κουάρκ δίνει ένα αποτέλεσμα μόνο περίπου 9 τοις εκατό αυτής της μετρούμενης μάζας πρωτονίων 1,67 × 10^–27 κιλό. Τι συμβαίνει με την προσθήκη μάζας χωρίς προσθήκη ύλης;

Το 2018, μια ομάδα φυσικών χρησιμοποίησε μια αναδυόμενη και μαθηματικά πολύπλοκη τεχνική που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCDή πιο συγκεκριμένα πλέγμα QCD, για τον προσδιορισμό της μάζας ενός πρωτονίου χρησιμοποιώντας μη τυποποιημένα μέσα. Όπως και με την περιστροφή πρωτονίων, αυτά τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά, προσφέροντας πληροφορίες για το πού προέρχεται η μάζα του πρωτονίου.

• Συχνά δίνεται η μάζα για τα υποατομικά σωματίδια ηλεκτρόνια-βολτή eV.