Come calcolare la massa di un protone

Gli atomi sono cose misteriose, che appaiono in ogni sorta di modi non correlati nel linguaggio quotidiano. Anche se non sei un esperto di chimica, probabilmente sai che l'atomo è una parte estremamente piccola della materia e che tutta la materia è composta da almeno un tipo di atomo.

"Atomico" come aggettivo in chimica e fisica è letterale, riferendosi a una proprietà dell'entità chiamata atomo. In contesti casuali, grazie quasi esclusivamente agli eventi della seconda guerra mondiale, significa "esplosivo", il che è fuorviante.

Semantica a parte, gli atomi sono interessanti perché, nonostante siano davvero minuscoli, sono costituiti da cose ancora più piccole (chiamate utilmente particelle subatomiche). Fino alla fine del XX secolo, non si sapeva con certezza se questi tre subatomici primari le particelle stesse (protoni, neutroni ed elettroni) potrebbero essere separate in strutture discrete elementi. Avviso spoiler: possono.

Il protone è di grande interesse per fisici e chimici fisici per una serie di motivi. È una delle due strutture subatomiche conosciute come nucleoni, ed è quella che porta una carica elettrica positiva, in contrasto con il suo compagno di dimensioni simili nel centro atomico.

Nel frattempo, gli elettroni, sebbene minuscoli e incredibilmente distanti dal nucleo in relazione alle dimensioni dell'atomo, sperimentano anche interazioni di forza con i protoni. Preparati a conoscere le varie caratteristiche distintive di queste entità fondamentali.

Potresti già avere familiarità con gli atomi in generale, ma non è mai una cattiva idea avere l'essenziale nella tua mente quando inizi a esplorarne parti in modo più dettagliato.

A partire dal 2020, c'erano 118 elementi noti, o singole "varietà" di atomi. Ogni atomo ha da uno a 118 protoni, che è anche il numero atomico sulla tavola periodica degli elementi e il numero che determina l'identità dell'elemento. Tutti gli elementi oltre all'idrogeno includono anche neutroni, che sono molto vicini in massa ai protoni. Il numero di neutroni è uguale o vicino a quello del numero di protoni, con queste variazioni di elementi note come isotopi.

La massa dei protoni e dei neutroni di un atomo rappresenta quasi tutta la massa dell'atomo, perché il terzo tipo di particella subatomica ha solo circa 1/1.800 della massa di un protone o di un neutrone.

Ma le particelle chiamate elettroni sono di vitale importanza per l'organizzazione della tavola periodica, perché è il numero e la disposizione di questi carichi negativamente particelle che conferiscono ai singoli elementi le loro proprietà di legame, cioè il modo in cui si collegano (o non riescono a connettersi) ad altri atomi.

I protoni e i neutroni sono impacchettati insieme nel nucleo, con il numero totale di queste particelle che va da 1 a oltre 200 per gli elementi più pesanti. È interessante notare che il nucleo non aumenta molto di dimensioni quando vengono aggiunti più protoni e neutroni, ma l'atomo nel suo insieme lo fa.

Questo perché gli elettroni, identici in numero ai protoni, si trovano molto al di fuori del nucleo in "nuvole di probabilità" corrispondente all'energia, e la dimensione di questi cresce con il numero atomico anche se il nucleo rimane vicino allo stesso dimensione.

I protoni si trovano nei nuclei degli atomi e possono essere pensati come sferici per scopi concettuali. Lo stesso vale per i neutroni, e se dovessi creare un modello tridimensionale di un semplice atomo, potresti scegliere sfere di colore diverso ma della stessa dimensione per i protoni e i neutroni.

La massa di un protone è di circa 1,67 × 10^–27 chilogrammi (kg). Quello di un neutrone è molto leggermente maggiore, circa 1,69 × 10^–27 kg, e quello di un elettrone è 9,11 × 10^–31 kg. Inoltre, alla massa di un protone viene assegnata 1 unità di massa atomica (amu) per comodità. Questa unità viene utilizzata anche per altre particelle subatomiche; la massa degli elettroni in amu (unità di massa atomica) è 0,00055.

La carica di un protone è chiamata "più uno" o +1, in relazione ad altre particelle fisiche, poiché era una volta credeva che i protoni (ed elettroni) rappresentassero le più piccole unità di carica che qualsiasi cosa in natura può avere. La grandezza di questo valore (positivo per i protoni, negativo per gli elettroni, facendo quindi attrarre queste particelle l'una verso l'altra dalla forza elettrostatica) è 1,6 × 10–19 C.

Vale la pena notare, proprio per apprezzare il lavoro di fisici e chimici, che i protoni per lungo tempo sono stati non si ritiene che mostrino decadimento (nel senso che esistono fondamentalmente "per sempre" una volta formati), si ritiene che abbiano un'emivita di circa 10³² a 10³³ anni. Considerando che l'età dell'universo stesso è di circa 1,4 × 10¹⁰ anni, vedere un decadimento radioattivo di un protone sarebbe un'impresa a livello di lotteria!

Anche i protoni, per quanto minuscoli, sono composti dai propri elementi costitutivi. Sia i protoni che i neutroni, infatti, sono costituiti da tre singole particelle che rappresentano tipi di quark (ne parleremo presto). Sia i protoni che i neutroni sono costituiti da una combinazione di tre quark "up" e quark "down". Ma se il protone ha una carica +1 e il neutrone è neutro, come può essere?

La risposta sta nel fatto che la carica "unità" o "fondamentale" +1 risulta essere divisibile, dopotutto, almeno nella circostanza speciale dei quark. Se un protone è composto da 2 quark up e 1 quark down mentre un neutrone ha 1 quark up e 2 quark down, si risolve l'assegnazione di una carica di +(2/3) al quark up e –(2/3) al quark down il problema.

• Ci sono sei quark conosciuti in tutto: su, giù, sopra, sotto, fascino e strano. (Gli scienziati a volte hanno strane convenzioni di denominazione).
  

Si considerano protoni e neutroni barioni, la classe più pesante di particelle lanciate insieme dai quark. Insieme a mesoni, appartengono a un gruppo di particelle note come adroni, che sono soggetti alla forza nucleare forte o alla "colla" che tiene insieme protoni e neutroni.

Mentre sommando le cariche dei quark che compongono un protone si ottiene la carica totale del protone di +1, non è così semplice quando si tratta di momento angolare, una proprietà correlata a "spin".

Un protone in realtà non ruota come fa la Terra attorno al suo asse, ma lo "spin" è un buon modo per immaginare la proprietà dell'intrinseco, o incorporato, angolo quantità di moto di un protone (dato il valore 1/2), che deriva principalmente dalle interazioni tra quark e particelle chiamate leptoni che costituiscono anche alcune particelle.

La cosa interessante dello spin del protone è che i fisici sono arrivati ​​al valore giusto (1/2) per quello sbagliato ragioni, ma nel 21° secolo sono stati in grado di armonizzare idee teoriche di vecchia data con sperimentazioni risultati.

La massa di un protone dovrebbe essere inferiore a quella che è; sommando le masse dei singoli quark si ottiene solo il 9% circa di quello della massa protonica misurata di 1,67 × 10^–27 kg. Cosa sta succedendo per aggiungere massa senza aggiungere materia?

Nel 2018, un gruppo di fisici ha utilizzato una tecnica emergente e matematicamente complessa chiamata cromodinamica quantistica (QCD), o più specificamente reticolo QCD, per determinare la massa di un protone utilizzando mezzi non standard. Come con lo spin del protone, questi risultati sono stati incoraggianti, offrendo spunti sulla provenienza della massa del protone.

• La massa per le particelle subatomiche è spesso data in elettronvolt, o eV.