Atomen zijn mysterieuze dingen die op allerlei niet-verwante manieren in alledaagse taal voorkomen. Zelfs als je geen scheikunde-expert bent, weet je waarschijnlijk dat een atoom een uiterst klein deel van materie is en dat alle materie uit minstens één soort atoom bestaat.
"Atoom" als een bijvoeglijk naamwoord in de scheikunde en natuurkunde is letterlijk, verwijzend naar een eigenschap van de entiteit die een atoom wordt genoemd. In een informele context, bijna uitsluitend dankzij gebeurtenissen in de Tweede Wereldoorlog, betekent het 'explosief', wat misleidend is.
Afgezien van de semantiek zijn atomen interessant omdat ze, ondanks hoe klein ze inderdaad zijn, uit nog kleinere dingen bestaan (handig subatomaire deeltjes genoemd). Tot laat in de 20e eeuw was het niet zeker of deze drie primaire subatomaire deeltjes (protonen, neutronen en elektronen) zelf kunnen worden gescheiden in discrete structurele elementen. Spoiler alert: dat kan.
De proton is om een aantal redenen van groot belang voor natuurkundigen en fysisch chemici. Het is een van de twee subatomaire structuren die bekend staan als nucleonen, en het is degene die een positieve elektrische lading draagt, in tegenstelling tot zijn metgezel van vergelijkbare grootte in het atomaire centrum.
Ondertussen ervaren elektronen, hoewel klein en onmogelijk ver van de kern in verhouding tot de grootte van het atoom, ook krachtinteracties met protonen. Bereid u voor om meer te weten te komen over de verschillende onderscheidende kenmerken van deze fundamentele entiteiten.
Overzicht van het atoom
Je bent misschien al bekend met atomen in het algemeen, maar het is nooit een slecht idee om de essentie in je hoofd te hebben wanneer je delen ervan in meer detail gaat verkennen.
Vanaf 2020 waren er 118 bekende elementen, of individuele "variëteiten" van atomen. Elk atoom heeft één tot 118 protonen, wat ook het atoomnummer is in het periodiek systeem der elementen en het nummer dat de identiteit van het element bepaalt. Alle elementen behalve waterstof bevatten ook: neutronen, die qua massa zeer dicht bij protonen liggen. Het aantal neutronen is hetzelfde of benadert dat aantal protonen, met deze variaties van elementen bekend als isotopen.
De massa van de protonen en neutronen van een atoom is verantwoordelijk voor bijna alle massa van het atoom, omdat het derde soort subatomaire deeltje slechts ongeveer 1/1.800ste van de massa heeft van een proton of een neutron.
Maar de deeltjes genaamd elektronen zijn van vitaal belang voor de organisatie van het periodiek systeem, want het is het aantal en de rangschikking van deze negatief geladen deeltjes die individuele elementen hun bindende eigenschappen geven, d.w.z. de manier waarop ze verbinding maken (of niet verbinden) met andere atomen.
De protonen en neutronen zijn samengepakt in de kern, waarbij het totale aantal van deze deeltjes varieert van 1 tot meer dan 200 voor de zwaarste elementen. Interessant is dat de kern niet veel groter wordt als er meer protonen en neutronen worden toegevoegd, maar het atoom als geheel wel.
Dit komt omdat de elektronen, identiek in aantal aan protonen, ver buiten de kern liggen in "waarschijnlijkheidswolken" overeenkomt met energie, en de grootte hiervan groeit met het atoomnummer, zelfs als de kern dicht bij hetzelfde blijft grootte.
Proton-benodigdheden
Protonen zitten in de kernen van atomen en kunnen voor conceptuele doeleinden als bolvormig worden beschouwd. Hetzelfde geldt voor neutronen, en als je een driedimensionaal model van een eenvoudig atoom zou maken, zou je voor de protonen en neutronen ballen kunnen kiezen in verschillende kleuren maar van dezelfde grootte.
De massa van een proton is ongeveer 1,67 × 10–27 kilogram (kg). Die van een neutron is iets groter, ongeveer 1,69 × 10–27 kg, en die van een elektron is 9,11 × 10–31 kg. Ook wordt de massa van een proton voor het gemak 1 atomaire massa-eenheid (amu) toegewezen. Deze eenheid wordt ook gebruikt voor andere subatomaire deeltjes; de massa van elektronen in amu (atomaire massa-eenheden) is 0,00055.
De lading van een proton wordt "plus één" of +1 genoemd, in relatie tot andere fysieke deeltjes, omdat het was ooit geloofde dat protonen (en elektronen) de kleinste eenheden van lading vertegenwoordigden die iets in de natuur kan hebben. De grootte van deze waarde (positief voor protonen, negatief voor elektronen, waardoor deze deeltjes dus door de elektrostatische kracht tot elkaar worden aangetrokken) is 1,6 × 10–19 C.
Het is de moeite waard om op te merken, alleen om het werk van natuurkundigen en scheikundigen te waarderen, dat protonen lange tijd niet geacht verval te vertonen (wat betekent dat ze in wezen "voor altijd" bestaan als ze eenmaal zijn gevormd), worden verondersteld een halfwaardetijd te hebben van ongeveer 1032 tot 1033 jaar. Aangezien de leeftijd van het heelal zelf ongeveer 1,4 × 10. is10 jaren, zou het radioactief zien van een protonverval een behoorlijke prestatie op loterijniveau zijn!
De structuur van het proton
Protonen, hoe klein ze ook zijn, zijn ook samengesteld uit hun eigen bouwstenen. Zowel protonen als neutronen bestaan in feite uit drie afzonderlijke deeltjes die soorten quarks vertegenwoordigen (daarover binnenkort meer). Zowel protonen als neutronen bestaan uit een combinatie van drie "up" quarks en "down" quarks. Maar als het proton een lading van +1 heeft en het neutron neutraal is, hoe kan dat dan?
Het antwoord ligt in het feit dat de +1 "eenheid" of "fundamentele" lading toch deelbaar blijkt te zijn, althans in de speciale omstandigheid van quarks. Als een proton bestaat uit 2 up-quarks en 1 down-quark terwijl een neutron 1 up-quark en 2 down-quarks heeft, lost het toekennen van een lading van + (2/3) aan de up-quark en – (2/3) aan de down-quark op het probleem.
- Er zijn in totaal zes quarks bekend: omhoog, omlaag, boven, onder, charme en vreemd. (Wetenschappers hebben soms vreemde naamgevingsconventies).
Protonen en neutronen worden beschouwd baryonen, de zwaarste klasse van deeltjes die door quarks bij elkaar zijn gegooid. Samen met mesonen, ze behoren tot een groep deeltjes die bekend staat als hadronen, die onderhevig zijn aan de sterke kernkracht of de "lijm" die protonen en neutronen bij elkaar houdt.
Protonspin
Terwijl het optellen van de ladingen van de quarks waaruit een proton bestaat de totale lading van het proton van +1 geeft, is het niet zo eenvoudig als het gaat om impulsmoment, een eigenschap gerelateerd aan 'spin'.
Een proton roteert niet echt zoals de aarde rond zijn as, maar "spin" is een goede manier om de eigenschap van intrinsieke of ingebouwde hoekige momentum van een proton (gezien de waarde 1/2), die voornamelijk afkomstig is van interacties tussen quarks en deeltjes die leptonen worden genoemd en die ook deel uitmaken van bepaalde subatomaire deeltjes.
Het interessante van protonspin is dat natuurkundigen de juiste waarde (1/2) voor de verkeerde hebben gevonden redenen, maar hebben in de 21e eeuw reeds lang bestaande theoretische ideeën kunnen harmoniseren met experimentele resultaten.
"Magische" bijdragen aan de protonenmassa
De massa van een proton moet kleiner zijn dan hij is; het optellen van de massa's van de individuele quarks geeft een resultaat van slechts ongeveer 9 procent van dat van de gemeten protonmassa van 1,67 × 10–27 kg. Wat gebeurt er om massa toe te voegen zonder materie toe te voegen?
In 2018 gebruikte een groep natuurkundigen een opkomende en wiskundig complexe techniek genaamd kwantumchromodynamica (QCD), of meer specifiek rooster QCD, om de massa van een proton te bepalen met behulp van niet-standaard middelen. Net als bij protonspin waren deze resultaten bemoedigend en gaven ze inzicht in waar de massa van het proton 'vandaan komt'.
- Massa voor subatomaire deeltjes wordt vaak gegeven in elektron-volt, of ev.