כיצד לחשב את המסה של פרוטון

אטומים הם דברים מסתוריים, המופיעים בכל מיני דרכים לא קשורות בשפה היומיומית. גם אם אינך מומחה בכימיה, אתה בוודאי יודע שבאטום הוא חלק זעיר ביותר של חומר וכי כל החומר מורכב לפחות מסוג אטום אחד.

"אטומי" כשם תואר בכימיה ובפיזיקה הוא מילולי, ומתייחס למאפיין של הישות הנקרא אטום. בהקשרים מזדמנים, כמעט רק בזכות האירועים במלחמת העולם השנייה, זה אומר "נפץ", וזה מטעה.

מלבד סמנטיקה, אטומים מעניינים מכיוון שלמרות כמה שהם אכן זעירים, הם מורכבים מדברים דקים אפילו יותר (הנקראים מועילים בחלקיקים תת אטומיים). עד סוף המאה העשרים לא היה ידוע בוודאות אם שלושת התת-אטומים העיקריים הללו חלקיקים (פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים) עצמם יכולים להיות מופרדים למבנה מבודד אלמנטים. התראת ספוילר: הם יכולים.

ה פּרוֹטוֹן מעניין מאוד את הפיזיקאים והכימאים הפיזיים ממספר סיבות. זהו אחד משני המבנים התת-אטומיים המכונים גרעינים, והוא הנושא מטען חשמלי חיובי, בניגוד לחברתו בגודל דומה במרכז האטום.

בינתיים, אלקטרונים, אף שהם זעירים ובלתי אפשרים מרוחקים מהגרעין ביחס לגודל האטום, חווים אינטראקציות כוח גם עם פרוטונים. היכונו ללמוד על התכונות המבדילות השונות של ישויות בסיסיות אלה.

אולי כבר מכירים את האטומים בדרך כלל, אך אף פעם לא רעיון רע שיהיו לכם את הדברים העיקריים בראשכם כאשר אתם מתחילים לחקור חלקים ממנו בפירוט רב יותר.

נכון לשנת 2020 היו 118 אלמנטים ידועים, או "זנים" בודדים של אטומים. לכל אטום יש אחד עד 118 פרוטונים, שהוא גם המספר האטומי בטבלה המחזורית של היסודות והמספר הקובע את זהות היסוד. כל האלמנטים מלבד מימן כוללים גם נויטרונים, שקרובים מאוד למסה לפרוטונים. מספר הנויטרונים זהה או קרוב למספר הפרוטונים, כאשר וריאציות אלה של אלמנטים מכונות איזוטופים.

המסה של הפרוטונים והנייטרונים של האטום מהווה כמעט את כל מסת האטום, מכיוון שלסוג השלישי של החלקיק התת אטומי יש רק כ -1 / 1,800 מהמסה של פרוטון או נויטרון.

אבל החלקיקים התקשרו אלקטרונים חשובים ביותר לארגון הטבלה המחזורית, שכן מספרם וסידורם של הטעונים השליליים הללו חלקיקים המעניקים לאלמנטים בודדים את תכונות ההיקשרות שלהם, כלומר את אופן התחברותם (או כישלונם להתחבר) לאחרים אטומים.

הפרוטונים והנייטרונים ארוזים יחד בגרעין, כאשר המספר הכולל של החלקיקים הללו נע בין 1 ליותר מ 200 עבור היסודות הכבדים ביותר. מעניין שהגרעין אינו גדל במידה רבה כאשר מתווספים יותר פרוטונים ונויטרונים, אך האטום בכללותו כן.

הסיבה לכך היא שהאלקטרונים, זהים במספרם לפרוטונים, נמצאים הרחק מחוץ לגרעין ב"ענני הסתברות " המתאים לאנרגיה, וגודל אלה גדל עם המספר האטומי גם כשהגרעין נשאר קרוב לאותו דבר גודל.

פרוטונים יושבים בגרעיני האטומים ועשויים להיחשב כדורים למטרות רעיוניות. הדבר נכון גם לגבי נויטרונים, ואם הייתם מכינים מודל תלת ממדי של אטום פשוט, תוכלו לבחור כדורים בצבעים שונים אך בגודל זהה עבור הפרוטונים והנייטרונים.

המסה של פרוטון היא בערך 1.67 × 10^–27 קילוגרמים (ק"ג). זה של נויטרון גדול מעט יותר, בערך 1.69 × 10^–27 ק"ג, וזה של אלקטרון הוא 9.11 × 10^–31 ק"ג. כמו כן, למסה של פרוטון מוקצה יחידת מסה אטומית אחת (אמו) מטעמי נוחות. יחידה זו משמשת גם לחלקיקים תת-אטומיים אחרים; מסת האלקטרונים באמו (יחידות מסה אטומיות) היא 0.00055.

המטען של פרוטון נקרא "פלוס אחד", או +1, ביחס לחלקיקים פיזיקליים אחרים, שכן הוא היה פעם האמינו כי פרוטונים (ואלקטרונים) מייצגים את יחידות המטען הקטנות ביותר שכל מה שבטבע יכול יש. גודל הערך הזה (חיובי לפרוטונים, שלילי לאלקטרונים, מה שגורם לחלקיקים אלה להימשך זה לזה בכוח האלקטרוסטטי) הוא 1.6 × 10–19 צלזיוס.

ראוי לציין, רק לצורך הערכת עבודתם של פיזיקאים וכימאים, כי פרוטונים במשך זמן רב היו לא נחשבים כמפגינים ריקבון (כלומר הם קיימים בעצם "לנצח" לאחר שנוצרו), הם האמינו שיש להם מחצית חיים של בערך 10³² עד 10³³ שנים. בהתחשב בעובדה שגיל היקום עצמו נע סביב 1.4 × 10¹⁰ שנים, לראות פרוטון מתפורר בצורה רדיואקטיבית יהיה די הישג ברמת ההגרלה!

פרוטונים, עד כמה שהם, מורכבים גם מאבני בניין משלהם. גם פרוטונים וגם נויטרונים, מורכבים משלושה חלקיקים בודדים המייצגים סוגי קווארקים (עוד על אלה בקרוב). פרוטונים ונויטרונים מורכבים משילוב כלשהו של שלושה קווארקים "למעלה" ו"קווים "למטה. אבל אם לפרוטון יש מטען +1, והנייטרון ניטרלי, איך זה יכול להיות?

התשובה נעוצה בעובדה שמטען "יחידת" או "בסיסי" +1 מתגלה כמתחלק, אחרי הכל, לפחות בנסיבות המיוחדות של הקווארקים. אם פרוטון מורכב משני קווארקים מעלה וקווארק אחד למטה ואילו לנויטרון יש קווארק אחד למעלה ו- 2 קווארקים מטה, הקצאת מטען של + (2/3) לקווארק למעלה - (2/3) לקוורק למטה נפתרת הנושא.

• ישנם שישה קווארקים הידועים בסך הכל: למעלה, למטה, למעלה, למטה, קסם ו מוּזָר. (למדענים מתישהו יש מוסכמות שמות מוזרות).
  

פרוטונים ונייטרונים נחשבים בריונים, המעמד הכבד ביותר של חלקיקים שנזרק יחד מקוורקים. ביחד עם מזונים, הם שייכים לקבוצת חלקיקים המכונה הדרונים, הכפופים לכוח הגרעיני החזק או ל"דבק "המחזיק פרוטונים ונויטרונים יחד.

בעוד שסיכום המטענים של הקווארקים המרכיבים פרוטון נותן את המטען הכולל של הפרוטון +1, זה לא כל כך פשוט כשמדובר מומנטום זוויתי, מאפיין הקשור ל"ספין ".

פרוטון לא מסתובב למעשה כמו כדור הארץ סביב צירו, אך "ספין" הוא דרך טובה לדמיין את המאפיין של זוויתי פנימי, או מובנה. מומנטום של פרוטון (בהתחשב בערך 1/2), שמקורו בעיקר באינטראקציות בין קווארקים לחלקיקים הנקראים לפטונים המהווים גם תת תת אטומית מסוימת חלקיקים.

הדבר המעניין בסיבוב פרוטונים הוא שפיזיקאים הגיעו לערך הנכון (1/2) לטעות מסיבות, אך במאה ה -21 הצליחו לתאם בין רעיונות תיאורטיים ארוכי שנים לניסויים תוצאות.

המסה של פרוטון צריכה להיות פחותה ממה שהיא; הוספת מסות הקווארקים הבודדים נותנת תוצאה רק כ- 9 אחוז מזה של מסת הפרוטון הנמדדת של 1.67 × 10^–27 ק"ג. מה קורה להוסיף מסה מבלי להוסיף חומר?

בשנת 2018, קבוצת פיזיקאים השתמשה בטכניקה מתפתחת ומורכבת מתמטית הנקראת כרומודינמיקה קוונטית (QCD), או ליתר דיוק סריג QCD, כדי לקבוע את מסת הפרוטון באמצעים לא תקניים. כמו בסיבוב פרוטונים, תוצאות אלו היו מעודדות, והציעו תובנות מהיכן "מגיעה המסה של הפרוטון".

• מסה לחלקיקים תת-אטומיים ניתנת לעיתים קרובות ב וולט אלקטרונים, או eV.