Kuinka lasketaan protonin massa

Atomit ovat salaperäisiä asioita, jotka esiintyvät kaikenlaisilla toisiinsa liittymättömillä tavoilla jokapäiväisessä kielessä. Vaikka et olisikaan kemian asiantuntija, tiedät todennäköisesti, että atomi on äärimmäisen pieni osa ainetta ja että kaikki aine koostuu ainakin yhdestä atomista.

"Atomi" kemian ja fysiikan adjektiivina on kirjaimellinen, viitaten entiteetin ominaisuuteen, jota kutsutaan atomiksi. Rennoissa yhteyksissä se tarkoittaa melkein yksinomaan toisen maailmansodan tapahtumien ansiosta "räjähtävää", mikä on harhaanjohtavaa.

Semantiikkaa lukuun ottamatta, atomit ovat mielenkiintoisia, koska huolimatta siitä, kuinka pieniä ne todellakin ovat, ne koostuvat vielä pienemmistä asioista (joita kutsutaan hyödyllisesti subatomisiksi hiukkasiksi). 1900-luvun loppupuolelle asti ei ollut varmaa tietoa, ovatko nämä kolme ensisijaista subatomista hiukkaset (protonit, neutronit ja elektronit) itse voitaisiin erottaa erillisiksi rakenteellisiksi elementtejä. Spoilerivaroitus: He voivat.

protoni

Samaan aikaan elektronit, vaikka pienetkin ja atomin kokoon nähden mahdottoman kaukana ytimestä, kokevat myös voiman vuorovaikutusta protonien kanssa. Valmistaudu oppimaan näiden peruskokonaisuuksien erilaisista piirteistä.

Saatat olla jo tuttu atomeista yleisesti, mutta ei ole koskaan huono idea saada olennaiset asiat mielesi edessä, kun aloitat tutkia sen osia tarkemmin.

Vuodesta 2020 lähtien atomien tunnettuja elementtejä eli yksittäisiä "lajikkeita" oli 118. Jokaisella atomilla on 1 - 118 protonia, mikä on myös atomien määrä jaksollisessa elementtitaulukossa ja luku, joka määrittää elementin identiteetin. Kaikki elementit vedyn lisäksi sisältävät myös neutronit, joiden massa on hyvin lähellä protoneja. Neutronien lukumäärä on sama tai lähellä protonien lukumäärää, ja nämä alkuaineiden vaihtelut tunnetaan nimellä isotoopit.

Atomin protonien ja neutronien massa muodostaa melkein koko atomin massan, koska kolmannen tyyppisellä subatomisella hiukkasella on vain noin 1/1800 joko protonin tai neutronin massaa.

Mutta hiukkaset kutsuivat elektronit ovat elintärkeitä jaksollisen taulukon järjestämiselle, sillä se on näiden negatiivisesti varattujen lukumäärä ja järjestely hiukkaset, jotka antavat yksittäisille elementeille sitoutumisominaisuutensa, ts. tavan, jolla ne yhdistyvät (tai epäonnistuvat) muihin atomien.

Protonit ja neutronit pakataan yhteen ytimeen, jolloin näiden hiukkasten kokonaismäärä vaihtelee välillä 1 - yli 200 raskaimpien elementtien kohdalla. Mielenkiintoista on, että ytimen koko ei kasva kovin paljon, kun lisätään lisää protoneja ja neutroneja, mutta atomi kokonaisuutena.

Tämä johtuu siitä, että elektronit, joiden lukumäärä on identtinen protonien kanssa, ovat kaukana ytimen ulkopuolella "todennäköisyyspilvissä" vastaa energiaa, ja näiden koko kasvaa atomiluvun kanssa, vaikka ydin pysyy lähellä samaa koko.

Protonit istuvat atomien ytimissä ja niiden voidaan ajatella olevan pallomaisia ​​käsitteellisiä tarkoituksia varten. Sama koskee neutroneja, ja jos tekisit kolmiulotteisen mallin yksinkertaisesta atomista, voit valita eri värejä, mutta samankokoisia palloja protoneille ja neutroneille.

Protonin massa on noin 1,67 × 10^–27 kilogrammaa (kg). Neutronin määrä on hyvin vähän suurempi, noin 1,69 × 10^–27 kg ja elektronin paino on 9,11 × 10^–31 kg. Myös protonin massalle on osoitettu 1 atomimassayksikkö (amu) mukavuuden vuoksi. Tätä yksikköä käytetään myös muihin subatomisiin hiukkasiin; elektronien massa amuina (atomimassayksikköinä) on 0,00055.

Protonin varausta kutsutaan "plus yksi" tai +1 suhteessa muihin fyysisiin hiukkasiin, koska se oli uskoi kerran, että protonit (ja elektronit) edustavat pienimpiä varausyksiköitä, mitä luonnossa voi olla omistaa. Tämän arvon suuruus (positiivinen protoneille, negatiivinen elektroneille, mikä saa nämä hiukkaset siten vetämään toisiinsa sähköstaattisen voiman avulla) on 1,6 × 10–19 C.

Fyysikkojen ja kemistien työn arvostamiseksi on syytä huomata, että protonit olivat pitkään joiden ei katsota olevan hajoavia (mikä tarkoittaa, että ne ovat periaatteessa olemassa "ikuisesti", kun ne ovat muodostuneet), niiden uskotaan olevan puoliintumisaika noin 10³² 10: een³³ vuotta. Ottaen huomioon, että maailmankaikkeuden ikä on noin 1,4 × 10¹⁰ vuosien ajan, protonien hajoamisen näkeminen radioaktiivisesti olisi melko arpajaisten taso!

Protonit, niin pieninä kuin ne ovatkin, koostuvat myös omista rakennuspalikoistaan. Sekä protonit että neutronit koostuvat itse asiassa kolmesta yksittäisestä hiukkasesta, jotka edustavat kvarkityyppejä (lisää niistä pian). Sekä protonit että neutronit koostuvat jostakin kolmen "ylös" ja "alas" kvarkin yhdistelmästä. Mutta jos protonilla on +1 varaus ja neutroni on neutraali, miten tämä voi olla?

Vastaus on siinä, että +1 "yksikkö" tai "perus" varaus osoittautuu loppujen lopuksi ainakin kvarkkien erityistilanteessa. Jos protoni koostuu kahdesta ylös- ja 1 alas-kvarkista, kun taas neutronilla on yksi ylös- ja 2 alas-kvarkki, varaamalla + (2/3) yläkvarkille ja - (2/3) alas kvarkille ratkaistaan. ongelma.

• Kaikissa tiedetään kuusi kvarkkia: ylös, alas, ylhäältä, alhaalta, viehätys ja outo. (Tutkijoilla on joskus outoja nimeämiskäytäntöjä).
  

Protonit ja neutronit otetaan huomioon baryonit, raskain hiukkasten luokka, joka heitetään yhteen kvarkeista. Kera mesonit, ne kuuluvat hiukkasten ryhmään, joka tunnetaan nimellä hadrons, joihin kohdistuu voimakas ydinvoima tai "liima", joka pitää protonit ja neutronit yhdessä.

Samalla kun protonin muodostavien kvarkkien varaukset yhteen lasketaan, protonin kokonaisvaraus on +1, mutta se ei ole niin yksinkertaista kulmamomentti, "linkoamiseen" liittyvä ominaisuus.

Protoni ei todellakaan pyöri kuten maapallo akselinsa ympäri, mutta "spin" on hyvä tapa kuvitella sisäisen tai sisäänrakennetun kulmaomaisuuden ominaisuutta protonin vauhti (annettu arvo 1/2), joka tulee pääasiassa kvarkkien ja leptoneiksi kutsuttujen hiukkasten vuorovaikutuksesta, jotka myös muodostavat tietyt subatomiset hiukkasia.

Mielenkiintoinen asia protonikierroksessa on se, että fyysikot saavuttivat oikean arvon (1/2) väärästä syistä, mutta ovat 2000-luvulla pystyneet yhdenmukaistamaan pitkäaikaiset teoreettiset ajatukset kokeellisten kanssa tuloksia.

Protonin massan tulisi olla pienempi kuin se on; yksittäisten kvarkkien massojen summaaminen antaa tuloksen vain noin 9 prosenttia mitatusta protonimassasta 1,67 × 10^–27 kg. Mitä massaa lisätään lisäämättä ainetta?

Vuonna 2018 ryhmä fyysikkoja käytti uutta ja matemaattisesti monimutkaista tekniikkaa, jota kutsutaan kvanttikromodynamiikaksi (QCD) tai tarkemmin ristikko QCD, protonin massan määrittämiseksi epätyypillisillä keinoilla. Kuten protonikierroksen kohdalla, nämä tulokset olivat rohkaisevia ja tarjosivat oivalluksia siitä, mistä protonin massa "tulee".

• Subatomisten hiukkasten massa annetaan usein elektronivolttiatai eV.