Kuidas arvutada prootoni massi

Aatomid on salapärased asjad, mis ilmuvad igapäevakeeles igasugustel seosteta viisidel. Isegi kui te pole keemiaekspert, teate ilmselt, et aatom on ainest üliväike osa ja kogu aine koosneb vähemalt ühest aatomitüübist.

"Aatom" kui omadussõna keemias ja füüsikas on sõna otseses mõttes, viidates aatomi nimelisele omadusele. Juhuslikus kontekstis tähendab see peaaegu ainult tänu Teise maailmasõja sündmustele "lõhkeainet", mis on eksitav.

Kui semantika kõrvale jätta, on aatomid huvitavad, sest hoolimata sellest, kui pisikesed nad tegelikult on, koosnevad nad veelgi peenematest asjadest (abivalmilt subatoomilisteks osakesteks). Kuni 20. sajandi lõpuni ei olnud täpselt teada, kas need kolm peamist subatoomilist osakesed (prootonid, neutronid ja elektronid) saaksid ise eraldada diskreetseteks struktuurseteks elemendid. Spoilerihoiatus: nad saavad.

The prooton pakub füüsikutele ja keemikutele suurt huvi mitmel põhjusel. See on üks kahest subatomaalsest struktuurist, mida nimetatakse nukleonideks, ja see on see, mis kannab positiivset elektrilaengut, erinevalt selle sarnase suurusega kaaslasest aatomikeskuses.

Samal ajal kogevad elektronid, ehkki aatomi suuruse suhtes pisikesed ja tuumast võimatult kauged, jõude vastastikmõjusid ka prootonitega. Valmistuge õppima nende põhiüksuste erinevate eristavate tunnuste kohta.

Võib-olla olete aatomitega üldiselt juba tuttav, kuid pole kunagi halb mõte, kui peamised asjad on mõtte ees, kui hakkate selle osasid lähemalt uurima.

2020. aasta seisuga oli teadaolevaid elemente ehk aatomite üksikuid "sorte" 118. Igal aatomil on üks kuni 118 prootonit, mis on ka aatomnumber elementide perioodilisustabelis ja arv, mis määrab elemendi identiteedi. Kõik elemendid peale vesiniku hõlmavad ka neutronid, mille mass on prootonitele väga lähedal. Neutronite arv on sama või lähedane prootonite arvule, kusjuures nende elementide variatsioonid on tuntud kui isotoopid.

Aatomi prootonite ja neutronite mass moodustab peaaegu kogu aatomi massi, sest kolmanda liiki subatomaalsete osakeste mass on kas prootoni või neutroni järgi umbes 1/1800.

Kuid osakesed kutsusid elektronid on perioodilise tabeli korralduse jaoks ülitähtsad, sest just nende negatiivselt laetud arv ja paigutus osakesed, mis annavad üksikutele elementidele nende sidumisomadused, st viisi, kuidas nad teistega ühenduvad (või ei suuda neid ühendada) aatomid.

Prootonid ja neutronid on tuumas kokku pakitud, kusjuures nende osakeste koguarv on kõige raskemate elementide puhul vahemikus 1 kuni 200. Huvitaval kombel ei suurene tuuma suurus, kui lisatakse rohkem prootoneid ja neutroneid, küll aga aatom tervikuna.

Seda seetõttu, et elektronid, mille arv on identne prootonitega, asuvad tuumast kaugel "tõenäosuspilvedes" vastab energiale ja nende suurus kasvab koos aatomnumbriga isegi siis, kui tuum jääb samale lähedale suurus.

Prootonid istuvad aatomite tuumades ja neid võib kontseptuaalsel eesmärgil pidada sfääriliseks. Sama lugu on neutronitega ja kui peaksite tegema lihtsa aatomi kolmemõõtmelise mudeli, võiksite prootonite ja neutronite jaoks valida erinevat värvi, kuid sama suurusega pallid.

Prootoni mass on umbes 1,67 × 10^–27 kilogrammi (kg). Neutroni oma on väga veidi suurem, umbes 1,69 × 10^–27 kg ja elektroni oma on 9,11 × 10^–31 kg. Samuti määratakse prootoni massile mugavuse huvides 1 aatommassiühik (amu). Seda seadet kasutatakse ka teiste subatoomiliste osakeste jaoks; elektronide mass amu (aatommassiühikutes) on 0,00055.

Prootoni laengut nimetatakse teiste füüsikaliste osakeste suhtes "pluss üks" või +1, kuna see nii oli uskus kunagi, et prootonid (ja elektronid) esindavad väikseimaid laenguühikuid, mida looduses üldse võimalik on omama. Selle väärtuse suurus (prootonite puhul positiivne, elektronide puhul negatiivne, mistõttu elektrostaatiline jõud tõmbab neid osakesi üksteise poole) on 1,6 × 10–19 C.

Ainult füüsikute ja keemikute töö hindamise nimel väärib märkimist, et prootonid olid pikka aega ei peeta lagunemiseks (see tähendab, et nad on põhimõtteliselt olemas "igavesti", kui need on moodustunud), arvatakse, et nende poolestusaeg on umbes 10³² kuni 10³³ aastat. Arvestades, et universumi enda vanus on umbes 1,4 × 10¹⁰ aastaid oleks prootoni lagunemise nägemine radioaktiivselt üsna loteriitaseme saavutus!

Prootonid, nii minutid kui nad ka on, koosnevad ka nende enda ehitusplokkidest. Nii prootonid kui ka neutronid koosnevad tegelikult kolmest üksikust osakesest, mis esindavad kvargitüüpe (lähemalt neist peagi). Nii prootonid kui ka neutronid koosnevad mingist kombinatsioonist kolmest "üles" ja "alla" kvarkist. Aga kui prootonil on +1 laeng ja neutron on neutraalne, siis kuidas see saab olla?

Vastus peitub selles, et +1 "ühik" või "põhiline" laeng osutub lõppkokkuvõttes vähemalt kvarkide eriolukorras jagatavaks. Kui prooton koosneb kahest üles- ja allkvarkist, samal ajal kui neutronil on 1 ülakvark ja 2 allkvarki, eraldub ülakvarrile + (2/3) ja allkvarrile - (2/3) laeng. küsimus.

• Kokku on teada kuus kvarki: üles, alla, ülevalt, alt, võlu ja imelik. (Teadlastel on millalgi kummalised nimetamisviisid).
  

Arvesse lähevad prootonid ja neutronid barüonid, kvarkidest kokku visatud osakeste raskem klass. Koos mesonid, kuuluvad nad osakeste rühma, mida nimetatakse hadronid, mis alluvad tugevale tuumajõule või prootoneid ja neutroneid koos hoidvale "liimile".

Kui prootoni moodustavate kvarkide laengute liitmisel saadakse prootoni kogulaenguks +1, pole see nii lihtne nurgeline hoog, omadus, mis on seotud "keerutamisega".

Prooton ei pöörle tegelikult nii nagu Maa ümber oma telje, kuid "pöörlemine" on hea viis kujutada sisemise või sisseehitatud nurga omadust prootoni impulss (arvestades väärtust 1/2), mis tuleneb peamiselt kvarkide ja leptoniteks nimetatud osakeste vastastikmõjust, mis moodustavad samuti teatud osakesed.

Prootonite pöörlemise huvitav asi on see, et füüsikud jõudsid valele väärtusele (1/2) põhjustel, kuid on suutnud 21. sajandil ühtlustada pikaajalised teoreetilised ideed eksperimentaalsetega tulemused.

Prootoni mass peaks olema väiksem kui see on; üksikute kvarkide masside liitmine annab tulemuseks ainult umbes 9 protsenti mõõdetud prootoni massist 1,67 × 10^–27 kg. Mis toimub massi lisamiseks ilma ainet lisamata?

2018. aastal kasutas rühm füüsikuid tekkivat ja matemaatiliselt keerukat tehnikat, mida nimetatakse kvantkromodünaamikaks (QCD) või täpsemalt võre QCD, et määrata prootoni mass mittestandardsete vahenditega. Nagu prootonite keerutamise puhul, olid ka need tulemused julgustavad, pakkudes teadmisi prootoni massi "päritolu" kohta.

• Subatoomiliste osakeste mass antakse sageli elektronvoltidvõi eV.