როგორ გამოვთვალოთ პროტონის მასა

ატომები არის იდუმალი რამ, რაც ჩნდება ყველანაირი დაუკავშირებელი გზით ყოველდღიურ ენაში. მაშინაც კი, თუ თქვენ არ ხართ ქიმიის ექსპერტი, ალბათ იცით, რომ ატომი მატერიის უკიდურესად მცირე ნაწილია და რომ ყველა მასალა შედგება მინიმუმ ერთი სახის ატომისგან.

"ატომური", როგორც ზედსართავი სახელი ქიმიასა და ფიზიკაში, პირდაპირი მნიშვნელობით გულისხმობს პიროვნების თვისებას, რომელსაც ატომი ეწოდება. შემთხვევით კონტექსტში, თითქმის მხოლოდ მეორე მსოფლიო ომის მოვლენების წყალობით, ეს ნიშნავს "ფეთქებადი", რაც შეცდომაში შეჰყავს.

სემანტიკის გარდა, ატომები საინტერესოა, რადგან, მიუხედავად იმისა, თუ რამდენად პაწაწინაა ისინი, ისინი შედგება კიდევ უფრო წვრილმანი ნივთებისაგან (სუბატომიური ნაწილაკების დახმარებით). მე -20 საუკუნის ბოლომდე დანამდვილებით უცნობი იყო თუ არა ეს სამი ძირითადი სუბატომიური ნაწილაკები (პროტონები, ნეიტრონები და ელექტრონები) შეიძლება გამოიყოს დისკრეტულ სტრუქტურებად ელემენტები. სპოილერის გაფრთხილება: მათ შეუძლიათ.

პროტონი ფიზიკოსებისა და ფიზიკური ქიმიკოსების დიდი ინტერესია მრავალი მიზეზის გამო. იგი ნუკლეონების სახელით ცნობილი ორი სუბატომიური სტრუქტურიდან ერთ-ერთია და ის ატარებს დადებით ელექტრულ მუხტს, განსხვავებით მისი მსგავსი ზომის ატომურ ცენტრში.

იმავდროულად, ელექტრონები, მართალია, პაწაწინა და შეუძლებელია ბირთვიდან დაშორებული იყოს ატომის ზომის მიმართ, მაგრამ განიცდიან ძალის ურთიერთქმედებას პროტონებთანაც. მოემზადეთ გაეცნოთ ამ ფუნდამენტური ობიექტების სხვადასხვა განმასხვავებელ მახასიათებლებს.

ზოგადად შეიძლება უკვე იცნობდეთ ატომებს, მაგრამ არასოდეს არის ცუდი აზრი, რომ საგნების წინაშე გქონდეთ საგნები, როდესაც მისი ნაწილების უფრო დეტალურად შესწავლას დაიწყებთ.

2020 წლისთვის ცნობილი იყო 118 ელემენტი, ანუ ატომების ინდივიდუალური "ჯიშები". თითოეულ ატომს აქვს ერთიდან 118 პროტონი, რომელიც ასევე წარმოადგენს ატომურ რიცხვს ელემენტების პერიოდულ სისტემაში და რიცხვს, რომელიც განსაზღვრავს ელემენტის იდენტურობას. წყალბადის გარდა, ყველა ელემენტს შეიცავს ნეიტრონები, რომლებიც მასით ძალიან ახლოს არიან პროტონებთან. ნეიტრონების რაოდენობა იგივეა ან ახლოსაა მასთან, როგორც პროტონის რაოდენობა, ელემენტების ამ ვარიაციებით ცნობილია როგორც იზოტოპები.

ატომის პროტონისა და ნეიტრონის მასა თითქმის ყველა ატომის მასას შეადგენს, რადგან მესამე ტიპის სუბატომიური ნაწილაკი მხოლოდ პროტონის ან ნეიტრონის მასის მხოლოდ 1 / 1,800-ე მასაა.

მაგრამ ნაწილაკები ე.წ. ელექტრონები პერიოდული სისტემის ორგანიზებისთვის სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია, რადგან ეს არის უარყოფითად დამუხტულთა რაოდენობა და განლაგება ნაწილაკები, რომლებიც ინდივიდუალურ ელემენტებს ანიჭებენ შემაკავშირებელ თვისებებს, ანუ მათთან დაკავშირების (ან ვერ დაკავშირების) წესს ატომები.

პროტონები და ნეიტრონები შეფუთულია ბირთვში, ამ ნაწილაკების საერთო რაოდენობა 1-დან 200-მდეა ყველაზე მძიმე ელემენტებისთვის. საინტერესოა, რომ ბირთვი დიდად არ იზრდება ზომით, როდესაც მეტ პროტონს და ნეიტრონს ემატება, მაგრამ ატომი მთლიანობაში აკეთებს ამას.

ეს იმიტომ ხდება, რომ ელექტრონები, პროტონების იდენტური რაოდენობით, ბირთვს შორს დგანან "სავარაუდო ღრუბლებში" ენერგეტიკის შესაბამისი და მათი ზომა იზრდება ატომური რიცხვით მაშინაც კი, როდესაც ბირთვი იგივე რჩება ზომა

პროტონები ზის ატომების ბირთვებში და შეიძლება მათ სფერულად წარმოიდგინონ კონცეპტუალური მიზნებისათვის. ნეიტრონების შემთხვევაში იგივე ითქმის და თუ უბრალო ატომის სამგანზომილებიანი მოდელის დამზადებას აპირებთ, პროტონისა და ნეიტრონისთვის შეგიძლიათ აირჩიოთ სხვადასხვა ფერის, მაგრამ ერთნაირი ზომის ბურთები.

პროტონის მასა დაახლოებით 1,67 × 10-ია^–27 კილოგრამი (კგ). ნეიტრონის ოდნავ მეტია, დაახლოებით 1.69 × 10^–27 კგ, ხოლო ელექტრონისა არის 9,11 × 10^–31 კგ. ასევე, პროტონის მასას ენიჭება 1 ატომური მასის ერთეული (amu) მოხერხებულობისთვის. ეს ერთეული გამოიყენება სხვა სუბატომიური ნაწილაკებისთვისაც; ელექტრონების მასა ამუში (ატომური მასის ერთეულები) არის 0.00055.

პროტონის მუხტს ეწოდება "პლუს ერთი", ან +1, სხვა ფიზიკურ ნაწილაკებთან მიმართებაში, რადგან ეს ასე იყო ერთხელ სჯეროდა, რომ პროტონები (და ელექტრონები) წარმოადგენს დატვირთვის უმცირეს ერთეულებს, რაც ბუნებაში შეიძლება აქვს ამ მნიშვნელობის სიდიდე (დადებითია პროტონისთვის, უარყოფითია ელექტრონისთვის, რის გამოც ამ ნაწილაკებს ელექტროსტატიკური ძალა იზიდავს) 1.6 × 10–19 C

აღსანიშნავია, მხოლოდ ფიზიკოსებისა და ქიმიკოსების მუშაობის დასაფასებლად, რომ პროტონები დიდი ხნის განმავლობაში არ განიხილება გახრწნის გამოსაფენად (რაც იმას ნიშნავს, რომ ისინი ძირითადად არსებობენ "სამუდამოდ", რაც ჩამოყალიბდა), ითვლება რომ 10³² 10-მდე³³ წლები იმის გათვალისწინებით, რომ სამყაროს ასაკი დაახლოებით 1,4 × 10-ია¹⁰ წლების განმავლობაში, პროტონის დაშლის რადიოაქტიურად დანახვა საკმაოდ ლატარიის დონის ნიჭი იქნებოდა!

პროტონი, როგორც წუთიანია, ასევე შედგება საკუთარი სამშენებლო ბლოკისგან. როგორც პროტონები, ისე ნეიტრონები, სინამდვილეში, შედგება სამი ინდივიდუალური ნაწილაკისგან, რომლებიც წარმოადგენს კვარკების ტიპებს (უფრო მალე მათ შესახებ). როგორც პროტონები, ასევე ნეიტრონები შედგება სამი "ზემოთ" კვარკისა და "ქვევით" კვარკის გარკვეული კომბინაციისგან. მაგრამ თუ პროტონს აქვს +1 მუხტი, ხოლო ნეიტრონი ნეიტრალურია, როგორ შეიძლება ეს იყოს?

პასუხი იმაში მდგომარეობს, რომ +1 "ერთეული" ან "ფუნდამენტური" მუხტი იყოფა, ბოლოს და ბოლოს, ყოველ შემთხვევაში, კვარკების განსაკუთრებულ ვითარებაში. თუ პროტონი შედგება 2 ზემოთ კვარკისგან და 1 ქვეკვარკისგან, ხოლო ნეიტრონს აქვს 1 ზემოთ კვარკი და 2 ქვევრი კვარკი, ზემოთ კვარკს ენიჭება მუხტი + (2/3) და ქვევით კვარკზე გადადის (2/3) საკითხი.

• სულ ექვსი კვარკია ცნობილი: ზემოთ, ქვემოთ, ზედა, ქვედა, ხიბლი და უცნაური (ზოგჯერ მეცნიერებს აქვთ დასახელების უცნაური კონვენციები).
  

განიხილება პროტონები და ნეიტრონები ბარიონები, კვარკებისგან ერთად გადაყრილი ნაწილაკების ყველაზე მძიმე კლასი. Ერთად მესონები, ისინი მიეკუთვნებიან ნაწილაკების ჯგუფს, რომლებიც ცნობილია როგორც ადრონები, რომლებიც ექვემდებარებიან ძლიერ ბირთვულ ძალას ან "წებოს", რომელიც პროტონებსა და ნეიტრონებს ერთად იკავებს.

მიუხედავად იმისა, რომ კვარკების მუხტების შეჯამება, რომლებიც პროტონს ქმნის, პროტონის ჯამური დატვირთვაა +1, ასე არ არის მარტივი, როდესაც საქმე ეხება იმპულსის მომენტი, ქონება, რომელიც დაკავშირებულია "ტრიალთან".

პროტონი სინამდვილეში არ ბრუნავს, როგორც დედამიწა თავისი ღერძის გარშემო, მაგრამ "ტრიალი" კარგი საშუალებაა შიდა, ან ჩამონტაჟებული კუთხოვანი თვისების წარმოსადგენად. პროტონის იმპულსი (მოცემულია მნიშვნელობა 1/2), რაც ძირითადად მოდის კვარკებსა და ნაწილაკებს შორის, ლეპტონებიდან ურთიერთქმედების შედეგად, რომლებიც ასევე ქმნიან გარკვეულ სუბატომიურ ნაწილაკები.

პროტონის სპინის შესახებ საინტერესო ის არის, რომ ფიზიკოსებმა არასწორი მნიშვნელობისთვის მიაღწიეს სწორ მნიშვნელობას (1/2) მიზეზები, მაგრამ XXI საუკუნეში შეძლეს ხანგრძლივი თეორიული იდეების ექსპერიმენტულთან ჰარმონიზაცია შედეგები

პროტონის მასა უნდა იყოს ნაკლები ვიდრე არის; ცალკეული კვარკების მასების დამატება იძლევა მხოლოდ 1,67 × 10 იზომება პროტონის მასის მხოლოდ 9 პროცენტს^–27 კგ. რა ხდება მასის დამატება მატერიის დამატების გარეშე?

2018 წელს ფიზიკოსთა ჯგუფმა გამოიყენა განვითარებადი და მათემატიკურად რთული ტექნიკა, სახელწოდებით კვანტური ქრომოდინამიკა (QCD), ან უფრო კონკრეტულად ქსელის QCD, რომ დადგინდეს პროტონის მასა არასტანდარტული საშუალებების გამოყენებით. როგორც პროტონის დატრიალებასთან დაკავშირებით, ეს შედეგებიც გამამხნევებელი იყო და გვთავაზობდა პროტონის მასის წარმოშობის ხედვას.

• ხშირად მოცემულია მასა სუბატომური ნაწილაკებისათვის ელექტრონულ ვოლტი, ან eV.