Kā aprēķināt protona masu

Atomi ir noslēpumainas lietas, kas ikdienas valodā parādās visādi nesaistīti. Pat ja jūs neesat ķīmijas eksperts, jūs droši vien zināt, ka atoms ir ārkārtīgi niecīga matērijas sastāvdaļa un ka visu matēriju veido vismaz viena veida atomi.

"Atoms" kā īpašības vārds ķīmijā un fizikā ir burtisks, atsaucoties uz entītijas īpašību, ko sauc par atomu. Ikdienas apstākļos, pateicoties gandrīz vienīgi notikumiem otrajā pasaules karā, tas nozīmē "sprādzienbīstamu", kas ir maldinošs.

Semantika malā, atomi ir interesanti, jo, neskatoties uz to, cik mazi tie patiešām ir, tie sastāv no vēl sīkākām lietām (izpalīdzīgi sauktas par subatomiskām daļiņām). Līdz 20. gadsimta beigām nebija droši zināms, vai šie trīs primārie subatomiski daļiņas (protonus, neitronus un elektronus) pašas varētu sadalīt diskrētās strukturālās elementi. Spoilera trauksme: Viņi var.

The protons vairāku iemeslu dēļ interesē fiziķus un fiziķus. Tā ir viena no divām subatomiskām struktūrām, kas pazīstama kā nukleoni, un tā ir tā, kurai ir pozitīvs elektriskais lādiņš, atšķirībā no tā līdzīga izmēra pavadoņa atoma centrā.

Tikmēr elektroni, kaut arī mazi un neiespējami tālu no kodola attiecībā pret atoma lielumu, piedzīvo spēka mijiedarbību arī ar protoniem. Sagatavojieties, lai uzzinātu par šīm pamatvienībām dažādās atšķirīgās iezīmes.

Iespējams, ka jūs jau esat pazīstams ar atomiem, taču nekad nav slikta ideja, ja vissvarīgākais ir prāta priekšā, kad sākat detalizētāk izpētīt tā daļas.

No 2020. gada bija zināmi 118 elementi jeb atsevišķas atomu "šķirnes". Katram atomam ir viens līdz 118 protoni, kas ir arī atomu skaitlis periodiskajā elementu tabulā un skaitlis, kas nosaka elementa identitāti. Visi elementi, izņemot ūdeņradi, ietver arī neitroni, kuru masas ir ļoti tuvas protoniem. Neitronu skaits ir tāds pats vai tuvs protonu skaitam, ar šīm elementu variācijām pazīstams kā izotopi.

Atoma protonu un neitronu masa veido gandrīz visu atoma masu, jo trešā veida subatomiskām daļiņām ir tikai aptuveni 1/1800 protonu vai neitronu masa.

Bet daļiņas sauca elektroni ir vitāli svarīgi periodiskās tabulas organizēšanai, jo tas ir šo negatīvi uzlādēto skaits un izvietojums daļiņas, kas piešķir atsevišķiem elementiem to saistīšanās īpašības, t.i., veidu, kādā tie savienojas (vai neizdodas izveidot savienojumu) ar citiem atomi.

Protoni un neitroni ir salikti kopā kodolā, un šo daļiņu kopējais skaits svārstās no 1 līdz vairāk nekā 200 smagākajiem elementiem. Interesanti, ka, pievienojot vairāk protonu un neitronu, kodols nepalielinās daudz, bet atoms kopumā.

Tas ir tāpēc, ka elektroni, kuru skaits ir identisks protoniem, atrodas tālu ārpus kodola "varbūtības mākoņos" kas atbilst enerģijai, un to lielums aug ar atomu skaitu, pat ja kodols paliek tuvu tam pašam Izmērs.

Protoni sēž atomu kodolos, un konceptuālos nolūkos tos var uzskatīt par sfēriskiem. Tas pats attiecas uz neitroniem, un, ja jūs izveidotu vienkārša atoma trīsdimensiju modeli, protoniem un neitroniem varētu izvēlēties dažādu krāsu, bet vienāda lieluma bumbiņas.

Protona masa ir aptuveni 1,67 × 10^–27 kilogrami (kg). Neitrona daudzums ir nedaudz lielāks, aptuveni 1,69 × 10^–27 kg, un elektrona svars ir 9,11 × 10^–31 Kilograms. Arī protona masai ērtības labad tiek piešķirta 1 atomu masas vienība (amu). Šo vienību izmanto arī citām subatomiskām daļiņām; elektronu masa amos (atomu masas vienībās) ir 0,00055.

Protona lādiņu sauc par "plus viens" vai +1 attiecībā pret citām fizikālajām daļiņām, jo ​​tas bija savulaik uzskatīja, ka protoni (un elektroni) pārstāv mazākās lādiņa vienības, ko dabā var ir. Šīs vērtības lielums (pozitīvs protoniem, negatīvs elektroniem, liekot šīm daļiņām elektrostatiskā spēka dēļ viens otru piesaistīt) ir 1,6 × 10–19 C.

Tikai tāpēc, lai novērtētu fiziķu un ķīmiķu darbu, ir vērts atzīmēt, ka protoni ilgu laiku bija neuzskata par sabrukšanu (tas nozīmē, ka tie pēc būtības pastāv "uz visiem laikiem"), tiek uzskatīts, ka pusperiods ir 10³² līdz 10³³ gadiem. Ņemot vērā, ka paša Visuma vecums ir aptuveni 1,4 × 10¹⁰ gadus, radioaktīvi redzēt protonu sabrukšanu, tas būtu diezgan loterijas līmeņa varoņdarbs!

Arī protoni, cik tādi tie ir, ir arī pašu veidoti. Gan protoni, gan neitroni faktiski sastāv no trim atsevišķām daļiņām, kas attēlo kvarka tipus (vairāk par tiem drīz). Gan protoni, gan neitroni sastāv no dažām trīs "uz augšu" un "uz leju" kvarku kombinācijām. Bet, ja protonam ir +1 lādiņš un neitrons ir neitrāls, kā tas var notikt?

Atbilde slēpjas faktā, ka +1 "vienība" vai "pamata" lādiņš galu galā izrādās dalāms vismaz īpašajā kvarku gadījumā. Ja protons sastāv no 2 augšējiem un 1 lejā esošajiem kvarkiem, bet neitronam ir 1 augšējais un 2 lejup esošais kvarks, piešķirot augšējam kvarkam lādiņu + (2/3) un lejaskvaram - (2/3). jautājums.

• Kopumā ir zināmi seši kvarki: augšā, lejā, augšā, apakšā, šarms un dīvaini. (Zinātniekiem dažkārt ir dīvaini vārdu nosaukumi).
  

Tiek apsvērti protoni un neitroni barioni, smagākā daļiņu klase, kas izmesta kopā no kvarkiem. Kopā ar mesons, tie pieder daļiņu grupai, kas pazīstama kā hadroni, kas ir pakļauti spēcīgam kodolspēkam vai "līmei", kas satur protonus un neitronus kopā.

Apkopojot protonu veidojošo kvarku lādiņus, protona kopējais lādiņš ir +1, bet tas nav tik vienkārši leņķiskais impulss, īpašums, kas saistīts ar "griešanos".

Protons faktiski negriežas tāpat kā Zeme ap savu asi, bet "griešanās" ir labs veids, kā iedomāties iekšējo vai iebūvēto leņķisko īpašību protona impulss (ņemot vērā vērtību 1/2), kas galvenokārt rodas no mijiedarbības starp kvarkiem un daļiņām, ko sauc par leptoniem, kas arī veido noteiktus subatomus daļiņas.

Interesanti par protonu griešanos ir tas, ka fiziķi sasniedza pareizo vērtību (1/2) par nepareizo iemeslu dēļ, bet 21. gadsimtā ir spējuši saskaņot ilgstošās teorētiskās idejas ar eksperimentālajām rezultātiem.

Protona masai jābūt mazākai nekā tā ir; saskaitot atsevišķu kvarku masas, rezultāts ir tikai aptuveni 9 procenti no izmērītās protonu masas 1,67 × 10^–27 Kilograms. Kas notiek, lai pievienotu masu, nepievienojot matēriju?

2018. gadā fiziķu grupa izmantoja jaunu un matemātiski sarežģītu tehniku, ko sauc par kvantu hromodinamiku (QCD) vai precīzāk režģis QCD, lai noteiktu protona masu, izmantojot nestandarta līdzekļus. Tāpat kā ar protonu griešanos, arī šie rezultāti bija iepriecinoši, piedāvājot ieskatu, no kurienes protona masa "nāk".

• Subatomisko daļiņu masa bieži tiek dota elektronvoltivai eV.