Les atomes sont des choses mystérieuses, apparaissant de toutes sortes de manières sans rapport dans le langage de tous les jours. Même si vous n'êtes pas un expert en chimie, vous savez probablement qu'un atome est une partie extrêmement infime de la matière et que toute matière est constituée d'au moins un type d'atome.
"Atomique" en tant qu'adjectif en chimie et en physique est littéral, se référant à une propriété de l'entité appelée atome. Dans des contextes occasionnels, grâce presque uniquement aux événements de la Seconde Guerre mondiale, cela signifie « explosif », ce qui est trompeur.
Mis à part la sémantique, les atomes sont intéressants car, malgré leur petite taille, ils sont constitués de choses encore plus petites (utiles appelées particules subatomiques). Jusqu'à la fin du 20e siècle, on ne savait pas avec certitude si ces trois subatomiques primaires particules (protons, neutrons et électrons) elles-mêmes pourraient être séparées en éléments. Alerte spoiler: ils le peuvent.
le proton est d'un grand intérêt pour les physiciens et les physiciens chimistes pour un certain nombre de raisons. C'est l'une des deux structures subatomiques connues sous le nom de nucléons, et c'est celle qui porte une charge électrique positive, contrairement à son compagnon de taille similaire dans le centre atomique.
Pendant ce temps, les électrons, bien que minuscules et incroyablement éloignés du noyau par rapport à la taille de l'atome, subissent également des interactions de force avec les protons. Préparez-vous à découvrir les différentes caractéristiques distinctives de ces entités fondamentales.
Présentation de l'atome
Vous connaissez peut-être déjà les atomes en général, mais ce n'est jamais une mauvaise idée d'avoir l'essentiel en tête lorsque vous commencez à en explorer certaines parties plus en détail.
En 2020, il y avait 118 éléments connus, ou "variétés" individuelles d'atomes. Chaque atome a un à 118 protons, qui est également le numéro atomique du tableau périodique des éléments et le nombre qui détermine l'identité de l'élément. Tous les éléments en dehors de l'hydrogène comprennent également neutrons, qui sont très proches en masse des protons. Le nombre de neutrons est le même ou proche de celui des protons, avec ces variations d'éléments appelées isotopes.
La masse des protons et des neutrons d'un atome représente la quasi-totalité de la masse de l'atome, car le troisième type de particule subatomique n'a qu'environ 1/1 800e de la masse d'un proton ou d'un neutron.
Mais les particules appelées électrons sont d'une importance vitale pour l'organisation du tableau périodique, car c'est le nombre et la disposition de ces charges négativement particules qui donnent aux éléments individuels leurs propriétés de liaison, c'est-à-dire la manière dont ils se connectent (ou ne se connectent pas) à d'autres atomes.
Les protons et les neutrons sont regroupés dans le noyau, le nombre total de ces particules allant de 1 à plus de 200 pour les éléments les plus lourds. Fait intéressant, la taille du noyau n'augmente pas beaucoup lorsque plus de protons et de neutrons sont ajoutés, mais l'atome dans son ensemble le fait.
C'est parce que les électrons, identiques en nombre aux protons, se trouvent loin du noyau dans des "nuages de probabilité" correspondant à l'énergie, et la taille de ceux-ci augmente avec le numéro atomique même si le noyau reste proche du même Taille.
L'essentiel des protons
Les protons se trouvent dans les noyaux des atomes et peuvent être considérés comme sphériques à des fins conceptuelles. Il en va de même pour les neutrons, et si vous deviez créer un modèle tridimensionnel d'un atome simple, vous pourriez choisir des boules de couleurs différentes mais de même taille pour les protons et les neutrons.
La masse d'un proton est d'environ 1,67 × 10–27 kilogrammes (kg). Celui d'un neutron est très légèrement supérieur, environ 1,69 × 10–27 kg, et celle d'un électron est de 9,11 × 10–31 kg. En outre, la masse d'un proton se voit attribuer 1 unité de masse atomique (amu) pour plus de commodité. Cette unité est également utilisée pour d'autres particules subatomiques; la masse des électrons dans l'amu (unités de masse atomique) est de 0,00055.
La charge d'un proton est appelée "plus un", ou +1, par rapport à d'autres particules physiques, car elle a été croyait autrefois que les protons (et les électrons) représentaient les plus petites unités de charge que tout ce qui est dans la nature peut avoir. L'amplitude de cette valeur (positive pour les protons, négative pour les électrons, rendant ces particules donc attirées les unes vers les autres par la force électrostatique) est de 1,6 × 10–19 C.
Il convient de noter, juste pour apprécier le travail des physiciens et des chimistes, que les protons ont longtemps été ne sont pas considérés comme présentant une pourriture (ce qui signifie qu'ils existent fondamentalement « pour toujours » une fois formés), on pense qu'ils ont une demi-vie d'environ 1032 à 1033 années. Considérant que l'âge de l'univers lui-même est d'environ 1,4 × 1010 années, voir un proton se désintégrer radioactivement serait tout un exploit au niveau de la loterie !
La structure du proton
Les protons, aussi minuscules soient-ils, sont également composés de leurs propres éléments constitutifs. En fait, les protons et les neutrons sont constitués de trois particules individuelles qui représentent des types de quarks (nous en reparlerons bientôt). Les protons et les neutrons consistent en une combinaison de trois quarks "up" et de quarks "down". Mais si le proton a une charge +1 et que le neutron est neutre, comment cela peut-il être ?
La réponse réside dans le fait que l'« unité » +1 ou la charge « fondamentale » s'avère être divisible, après tout, au moins dans le cas particulier des quarks. Si un proton se compose de 2 quarks up et 1 quark down alors qu'un neutron a 1 quark up et 2 quarks down, attribuer une charge de +(2/3) au quark up et -(2/3) au quark down résout le problème.
- Il y a six quarks connus en tout: haut, bas, haut, bas, charme et étrange. (Les scientifiques ont parfois d'étranges conventions de nommage).
Les protons et les neutrons sont considérés baryons, la classe la plus lourde de particules réunies à partir de quarks. De même que mésons, elles appartiennent à un groupe de particules appelé hadrons, qui sont soumis à la force nucléaire forte ou à la "colle" qui maintient ensemble les protons et les neutrons.
Spin de protons
Si la somme des charges des quarks qui composent un proton donne la charge totale du proton de +1, ce n'est pas si simple quand il s'agit de moment angulaire, une propriété liée à "spin".
Un proton ne tourne pas réellement comme la Terre le fait autour de son axe, mais « spin » est un bon moyen d'envisager la propriété de l'angle intrinsèque ou intégré. quantité de mouvement d'un proton (étant donné la valeur 1/2), qui provient principalement des interactions entre les quarks et les particules appelées leptons qui composent également certains particules.
La chose intéressante à propos du spin du proton est que les physiciens sont arrivés à la bonne valeur (1/2) pour le mauvais raisons, mais au 21ème siècle ont été capables d'harmoniser des idées théoriques de longue date avec des expériences résultats.
Contributions "magiques" à la masse de protons
La masse d'un proton doit être inférieure à ce qu'elle est; l'addition des masses des quarks individuels donne un résultat seulement d'environ 9 pour cent de celui de la masse de proton mesurée de 1,67 × 10–27 kg. Que se passe-t-il pour ajouter de la masse sans ajouter de la matière ?
En 2018, un groupe de physiciens a utilisé une technique émergente et mathématiquement complexe appelée chromodynamique quantique (CDQ), ou plus précisément QCD en treillis, pour déterminer la masse d'un proton en utilisant des moyens non standard. Comme pour le spin du proton, ces résultats étaient encourageants, offrant un aperçu de l'origine de la masse du proton.
- La masse des particules subatomiques est souvent donnée en électron-volt, ou eV.