Cómo calcular la masa de un protón

Los átomos son cosas misteriosas que aparecen en todo tipo de formas no relacionadas en el lenguaje cotidiano. Incluso si no eres un experto en química, probablemente sepas que un átomo es una parte extremadamente pequeña de la materia y que toda la materia está formada por al menos un tipo de átomo.

"Atómico" como adjetivo en química y física es literal, refiriéndose a una propiedad de la entidad llamada átomo. En contextos casuales, gracias casi exclusivamente a los acontecimientos de la Segunda Guerra Mundial, significa "explosivo", lo cual es engañoso.

Dejando de lado la semántica, los átomos son interesantes porque, a pesar de lo diminutos que son, están formados por cosas aún más pequeñas (llamadas amablemente partículas subatómicas). Hasta finales del siglo XX, se desconocía con certeza si estos tres subatómicos primarios las propias partículas (protones, neutrones y electrones) podrían separarse en estructuras discretas elementos. Alerta de spoiler: pueden.

La protón es de gran interés para físicos y físicos químicos por varias razones. Es una de las dos estructuras subatómicas conocidas como nucleones, y es la que lleva una carga eléctrica positiva, en contraste con su compañera de tamaño similar en el centro atómico.

Mientras tanto, los electrones, aunque diminutos e imposiblemente distantes del núcleo en relación con el tamaño del átomo, también experimentan interacciones de fuerza con los protones. Prepárese para conocer las diversas características distintivas de estas entidades fundamentales.

Es posible que ya esté familiarizado con los átomos en general, pero nunca es una mala idea tener lo esencial en mente cuando comienza a explorar partes de él con más detalle.

A partir de 2020, había 118 elementos conocidos o "variedades" individuales de átomos. Cada átomo tiene de uno a 118 protones, que es también el número atómico en la tabla periódica de elementos y el número que determina la identidad del elemento. Todos los elementos además del hidrógeno también incluyen neutrones, que tienen una masa muy cercana a la de los protones. El número de neutrones es igual o cercano al número de protones, con estas variaciones de elementos conocidas como isótopos.

La masa de los protones y neutrones de un átomo representa casi la totalidad de la masa del átomo, porque el tercer tipo de partícula subatómica tiene solo alrededor de 1/1800 de la masa de un protón o un neutrón.

Pero las partículas llamadas electrones son de vital importancia para la organización de la tabla periódica, ya que es el número y la disposición de estos cargados negativamente partículas que dan a los elementos individuales sus propiedades de enlace, es decir, la forma en que se conectan (o no se conectan) a otros átomos.

Los protones y neutrones están empaquetados en el núcleo, y el número total de estas partículas varía de 1 a más de 200 para los elementos más pesados. Curiosamente, el tamaño del núcleo no aumenta mucho cuando se agregan más protones y neutrones, pero el átomo en su conjunto sí.

Esto se debe a que los electrones, idénticos en número a los protones, se encuentran muy lejos del núcleo en "nubes de probabilidad". correspondiente a la energía, y el tamaño de estos crece con el número atómico incluso cuando el núcleo permanece cerca del mismo Talla.

Los protones se encuentran en los núcleos de los átomos y pueden considerarse esféricos con fines conceptuales. Lo mismo ocurre con los neutrones, y si tuviera que hacer un modelo tridimensional de un átomo simple, podría elegir bolas de diferentes colores pero del mismo tamaño para los protones y neutrones.

La masa de un protón es de aproximadamente 1,67 × 10^–27 kilogramos (kg). La de un neutrón es ligeramente mayor, alrededor de 1,69 × 10^–27 kg, y la de un electrón es 9.11 × 10^–31 kg. Además, a la masa de un protón se le asigna 1 unidad de masa atómica (uma) por conveniencia. Esta unidad también se utiliza para otras partículas subatómicas; la masa de electrones en uma (unidades de masa atómica) es 0,00055.

La carga de un protón se llama "más uno", o +1, en relación con otras partículas físicas, ya que era Alguna vez se creyó que los protones (y electrones) representaban las unidades de carga más pequeñas que cualquier cosa en la naturaleza puede tengo. La magnitud de este valor (positivo para los protones, negativo para los electrones, lo que hace que estas partículas se atraigan entre sí por la fuerza electrostática) es 1,6 × 10-19 C.

Vale la pena señalar, solo para apreciar el trabajo de físicos y químicos, que los protones durante mucho tiempo fueron no se considera que exhiban descomposición (lo que significa que básicamente existen "para siempre" una vez formados), se cree que tienen una vida media de aproximadamente 10³² a 10³³ años. Teniendo en cuenta que la edad del propio universo es de alrededor de 1,4 × 10¹⁰ años, ver una desintegración radiactiva de un protón sería toda una hazaña a nivel de lotería.

Los protones, por diminutos que sean, también están compuestos por sus propios bloques de construcción. Tanto los protones como los neutrones, de hecho, constan de tres partículas individuales que representan tipos de quarks (más sobre ellos pronto). Tanto los protones como los neutrones consisten en una combinación de tres quarks "arriba" y quarks "abajo". Pero si el protón tiene una carga +1 y el neutrón es neutro, ¿cómo puede ser esto?

La respuesta radica en el hecho de que la carga "unitaria" o "fundamental" +1 resulta ser divisible, después de todo, al menos en la circunstancia especial de los quarks. Si un protón consta de 2 quarks up y 1 quark down mientras que un neutrón tiene 1 quark up y 2 quarks down, se resuelve la asignación de una carga de + (2/3) al quark up y - (2/3) al quark down la cuestión.

• Hay seis quarks conocidos en total: arriba, abajo, arriba, abajo, encanto y extraño. (Los científicos a veces tienen extrañas convenciones de nombres).
  

Se consideran protones y neutrones bariones, la clase más pesada de partículas lanzadas juntas desde los quarks. Junto con mesones, pertenecen a un grupo de partículas conocido como hadrones, que están sujetos a la fuerte fuerza nuclear o el "pegamento" que mantiene unidos a los protones y neutrones.

Si bien la suma de las cargas de los quarks que componen un protón da como resultado la carga total del protón de +1, no es tan simple cuando se trata de momento angular, una propiedad relacionada con el "giro".

En realidad, un protón no gira como lo hace la Tierra alrededor de su eje, pero el "giro" es una buena manera de visualizar la propiedad de la estructura angular intrínseca o incorporada. Momento de un protón (dado el valor 1/2), que proviene principalmente de interacciones entre quarks y partículas llamadas leptones que también componen ciertos componentes subatómicos. partículas.

Lo interesante del espín del protón es que los físicos llegaron al valor correcto (1/2) para el razones, pero en el siglo XXI han podido armonizar ideas teóricas de larga data con experimentos resultados.

La masa de un protón debería ser menor de lo que es; La suma de las masas de los quarks individuales da un resultado de solo alrededor del 9 por ciento del de la masa de protones medida de 1,67 × 10.^–27 kg. ¿Qué está sucediendo para agregar masa sin agregar materia?

En 2018, un grupo de físicos utilizó una técnica emergente y matemáticamente compleja llamada cromodinámica cuántica (QCD), o más específicamente celosía QCD, para determinar la masa de un protón utilizando medios no estándar. Al igual que con el giro del protón, estos resultados fueron alentadores y ofrecieron información sobre de dónde "proviene" la masa del protón.

• La masa de las partículas subatómicas a menudo se da en electronvoltioso eV.