Atomer er mystiske ting, som vises på alle slags ikke-relaterte måter i hverdagsspråket. Selv om du ikke er en kjemiekspert, vet du sannsynligvis at atom er en ekstremt liten del av materie, og at all materie består av minst en type atom.
"Atom" som adjektiv i kjemi og fysikk er bokstavelig, og refererer til en egenskap til enheten som kalles et atom. I uformelle sammenhenger, nesten takket være hendelser i andre verdenskrig, betyr det "eksplosivt", som er misvisende.
Bortsett fra semantikk, er atomer interessante fordi de, til tross for hvor små de faktisk er, består av enda mindre ting (hjelpsomt kalt subatomære partikler). Inntil sent på 1900-tallet var det ukjent med sikkerhet om disse tre primære subatomære partikler (protoner, nøytroner og elektroner) i seg selv kunne skilles i diskrete strukturer elementer. Spoilervarsel: De kan.
De proton er av stor interesse for fysikere og fysiske kjemikere av flere grunner. Det er en av de to subatomære strukturene kjent som nukleoner, og det er den som bærer en positiv elektrisk ladning, i motsetning til dens like store følgesvenn i atomsenteret.
I mellomtiden opplever elektroner, selv om de er små og umulig fjernt fra kjernen i forhold til atomets størrelse, også kraftinteraksjoner med protoner. Forbered deg på å lære om de forskjellige kjennetegnene ved disse grunnleggende enhetene.
Oversikt over Atom
Du er kanskje allerede kjent med atomer generelt, men det er aldri en dårlig idé å ha det viktigste i tankene når du begynner å utforske deler av det mer detaljert.
Fra og med 2020 var det 118 kjente elementer, eller individuelle "varianter" av atomer. Hvert atom har ett til 118 protoner, som også er atomnummeret i det periodiske elementet og antallet som bestemmer elementets identitet. Alle elementene i tillegg til hydrogen inkluderer også nøytroner, som er veldig nær masse til protoner. Antall nøytroner er det samme eller nær det som antall protoner, med disse variasjonene av elementer kjent som isotoper.
Massen til et atoms protoner og nøytroner utgjør nesten hele atommassen, fordi den tredje typen subatomære partikler bare har omtrent 1/1 800. massen til enten en proton eller et nøytron.
Men partiklene ringte elektroner er avgjørende for organiseringen av det periodiske systemet, for det er antallet og arrangementet av disse negativt ladede partikler som gir enkeltelementer deres bindeegenskaper, dvs. måten de kobles til (eller ikke klarer å koble til) på andre atomer.
Protonene og nøytronene er pakket sammen i kjernen, med det totale antallet av disse partiklene fra 1 til over 200 for de tyngste elementene. Interessant nok øker ikke kjernen mye når flere protoner og nøytroner tilsettes, men atomet som helhet gjør det.
Dette er fordi elektronene, identiske i antall med protoner, ligger langt utenfor kjernen i "sannsynlighetsskyer" tilsvarer energi, og størrelsen på disse vokser med atomnummer, selv om kjernen forblir nær det samme størrelse.
Proton Essentials
Protoner sitter i atomkjernene og kan betraktes som sfæriske for konseptuelle formål. Det samme gjelder nøytroner, og hvis du skulle lage en tredimensjonal modell av et enkelt atom, kunne du velge forskjellige farger, men like store baller for protonene og nøytronene.
Massen til en proton er omtrent 1,67 × 10–27 kilo (kg). Det til et nøytron er veldig litt større, omtrent 1,69 × 10–27 kg, og det til et elektron er 9,11 × 10–31 kg. Også tildeles massen til en proton 1 atommasseenhet (amu) for enkelhets skyld. Denne enheten brukes også til andre subatomære partikler; massen av elektroner i amu (atommasseenheter) er 0.00055.
Ladningen til en proton kalles "pluss en", eller +1, i forhold til andre fysiske partikler, siden den var en gang trodde at protoner (og elektroner) representerte de minste ladningsenhetene alt i naturen kan ha. Størrelsen på denne verdien (positiv for protoner, negativ for elektroner, noe som gjør at disse partiklene derfor tiltrekkes av hverandre av den elektrostatiske kraften) er 1,6 × 10–19 C.
Det er verdt å merke seg, bare for å sette pris på arbeidet til fysikere og kjemikere, at protoner i lang tid var ikke anses å utvise forfall (som betyr at de i utgangspunktet eksisterer "for alltid" når de først er dannet), antas å ha en halveringstid på ca. 1032 til 1033 år. Tatt i betraktning at alderen til selve universet er rundt 1,4 × 1010 år, ville det å se et proton forfalle radioaktivt være ganske lotto!
Protonens struktur
Protoner, så små som de er, er også sammensatt av sine egne byggesteiner. Både protoner og nøytroner består faktisk av tre individuelle partikler som representerer typer kvarker (mer om dem snart). Både protoner og nøytroner består av en kombinasjon av tre "opp" kvarker og "ned" kvarker. Men hvis protonen har en +1 ladning, og nøytronen er nøytral, hvordan kan dette være?
Svaret ligger i det faktum at +1 "enhet" eller "grunnleggende" avgift viser seg å være delbar, tross alt, i det minste i den spesielle omstendigheten av kvarker. Hvis en proton består av 2 oppkvarker og 1 nedkvark mens et nøytron har 1 oppkvark og 2 nedkvarker, tildeles en ladning på + (2/3) til oppkvarken og - (2/3) til nedkvarken løser seg problemet.
- Det er seks kvarker kjent i det hele tatt: opp, ned, topp, bunn, sjarm og rar. (Forskere har en gang merkelige navnekonvensjoner).
Protoner og nøytroner blir vurdert baryoner, den tyngste klassen av partikler kastet sammen fra kvarker. Sammen med mesoner, de tilhører en gruppe partikler kjent som hadrons, som er underlagt den sterke kjernekraften eller "limet" som holder protoner og nøytroner sammen.
Protonsnurr
Mens summen av ladningene til kvarkene som utgjør en proton gir protonens totale ladning på +1, er det ikke så enkelt når det gjelder vinkelmoment, en egenskap relatert til "spinn".
En proton roterer faktisk ikke som jorden gjør rundt sin akse, men "spinn" er en god måte å se for seg egenskapen til indre, eller innebygd, vinkel momentum av et proton (gitt verdien 1/2), som hovedsakelig kommer fra interaksjoner mellom kvarker og partikler som kalles leptoner som også utgjør visse subatomære partikler.
Det interessante med protonspinn er at fysikere ankom riktig verdi (1/2) for feil grunner, men i det 21. århundre har vært i stand til å harmonisere langvarige teoretiske ideer med eksperimentelle resultater.
"Magiske" bidrag til protonmessen
Massen til et proton skal være mindre enn det er; å legge sammen massene til de enkelte kvarkene gir bare et resultat på omtrent 9 prosent av den målte protonmassen på 1,67 × 10–27 kg. Hva skjer for å legge til masse uten å tilføre materie?
I 2018 brukte en gruppe fysikere en fremvoksende og matematisk kompleks teknikk kalt kvantekromodynamikk (QCD), eller mer spesifikt gitter QCD, for å bestemme massen til en proton ved hjelp av ikke-standardiserte midler. Som med protonspinn var disse resultatene oppmuntrende og ga innsikt i hvor protonmassen "kommer fra".
- Masse for subatomære partikler er ofte gitt i elektronvolter, eller eV.