Jak obliczyć masę protonu?

Atomy to tajemnicze rzeczy, pojawiające się na różne sposoby w języku potocznym. Nawet jeśli nie jesteś ekspertem w dziedzinie chemii, prawdopodobnie wiesz, że atom jest niezwykle małą częścią materii i że cała materia składa się z co najmniej jednego rodzaju atomu.

„Atomowy” jako przymiotnik w chemii i fizyce jest dosłowny i odnosi się do właściwości bytu zwanego atomem. W przypadkowych kontekstach, niemal wyłącznie dzięki wydarzeniom z drugiej wojny światowej, oznacza „wybuchowy”, co jest mylące.

Pomijając semantykę, atomy są interesujące, ponieważ pomimo tego, jak bardzo są małe, składają się z jeszcze mniejszych elementów (pomocnie nazywanych cząstkami subatomowymi). Do końca XX wieku nie było wiadomo na pewno, czy te trzy pierwotne subatomowe same cząstki (protony, neutrony i elektrony) można by rozdzielić na dyskretne strukturalne elementy. Uwaga, spoiler: Mogą.

proton z wielu powodów cieszy się dużym zainteresowaniem fizyków i chemików fizycznych. Jest to jedna z dwóch struktur subatomowych zwanych nukleonami, która przenosi dodatni ładunek elektryczny, w przeciwieństwie do podobnej wielkości towarzysza w centrum atomu.

Tymczasem elektrony, choć małe i niemożliwie oddalone od jądra w stosunku do wielkości atomu, również doświadczają oddziaływań siłowych z protonami. Przygotuj się na poznanie różnych cech wyróżniających te podstawowe byty.

Możesz być już zaznajomiony z atomami ogólnie, ale nigdy nie jest złym pomysłem, aby mieć to, co najważniejsze, przed oczami, kiedy zaczynasz bardziej szczegółowo badać jego części.

W 2020 roku było 118 znanych pierwiastków, czyli pojedynczych „odmian” atomów. Każdy atom ma od 1 do 118 protonów, co jest jednocześnie liczbą atomową w układzie okresowym pierwiastków oraz liczbą określającą tożsamość pierwiastka. Wszystkie pierwiastki oprócz wodoru obejmują również neutrony, które są bardzo zbliżone masą do protonów. Liczba neutronów jest taka sama lub zbliżona do liczby protonów, przy czym te odmiany pierwiastków znane są jako izotopy.

Masa protonów i neutronów odpowiada prawie całej masie atomu, ponieważ trzeci rodzaj cząstek subatomowych ma tylko około 1/1800 masy protonu lub neutronu.

Ale cząstki nazwane elektrony są niezwykle ważne dla organizacji układu okresowego pierwiastków, ponieważ jest to liczba i układ tych naładowanych ujemnie cząstki, które nadają poszczególnym elementom właściwości wiążące, tj. sposób, w jaki łączą się (lub nie łączą się) z innymi atomy.

Protony i neutrony są upakowane razem w jądrze, a łączna liczba tych cząstek waha się od 1 do ponad 200 dla najcięższych pierwiastków. Co ciekawe, po dodaniu większej ilości protonów i neutronów jądro nie powiększa się znacznie, ale atom jako całość tak.

Dzieje się tak, ponieważ elektrony, identyczne pod względem liczby z protonami, leżą daleko poza jądrem w „chmurach prawdopodobieństwa” odpowiadający energii, a ich rozmiar rośnie wraz z liczbą atomową, nawet gdy jądro pozostaje blisko tego samego rozmiar.

Protony znajdują się w jądrach atomów i mogą być uważane za kuliste do celów koncepcyjnych. To samo dotyczy neutronów, a gdybyś miał zrobić trójwymiarowy model prostego atomu, mógłbyś wybrać różnokolorowe, ale tej samej wielkości kulki dla protonów i neutronów.

Masa protonu wynosi około 1,67 × 10^–27 kilogramy (kg). Ta neutronu jest nieco większa, około 1,69 × 10^–27 kg, a elektronu 9,11 × 10^–31 kg. Ponadto masie protonu przypisuje się 1 jednostkę masy atomowej (amu) dla wygody. Ta jednostka jest również używana do innych cząstek subatomowych; masa elektronów w amu (jednostkach masy atomowej) wynosi 0,00055.

Ładunek protonu nazywa się „plus jeden” lub +1, w stosunku do innych cząstek fizycznych, ponieważ był kiedyś wierzył, że protony (i elektrony) reprezentują najmniejsze jednostki ładunku, jakie może cokolwiek w przyrodzie mieć. Wielkość tej wartości (dodatnia dla protonów, ujemna dla elektronów, co powoduje, że cząstki te przyciągają się do siebie siłą elektrostatyczną) wynosi 1,6 × 10-19 C.

Warto zauważyć, żeby tylko docenić pracę fizyków i chemików, że protony przez długi czas były nie uważa się za wykazujące rozkład (co oznacza, że ​​po utworzeniu zasadniczo istnieją „wiecznie”), uważa się, że mają okres półtrwania około 10³² do 10³³ lat. Biorąc pod uwagę, że wiek samego wszechświata wynosi około 1,4 × 10¹⁰ lat, zobaczenie radioaktywnego rozpadu protonu byłoby nie lada wyczynem na poziomie loterii!

Protony, choć są bardzo drobne, również składają się z własnych bloków budulcowych. W rzeczywistości zarówno protony, jak i neutrony składają się z trzech pojedynczych cząstek, które reprezentują typy kwarków (więcej o nich wkrótce). Zarówno protony, jak i neutrony składają się z kombinacji trzech kwarków „górnych” i „dolnych”. Ale jeśli proton ma ładunek +1, a neutron jest obojętny, jak to możliwe?

Odpowiedź tkwi w tym, że ładunek „jednostkowy” lub „podstawowy” +1 okazuje się przecież podzielny, przynajmniej w szczególnej sytuacji kwarków. Jeśli proton składa się z 2 kwarków górnych i 1 kwarka dolnego, podczas gdy neutron ma 1 kwark górny i 2 kwarki dolne, przypisanie ładunku +(2/3) kwarkowi górnemu i –(2/3) kwarkowi dolnemu rozwiązuje problem.

• W sumie znanych jest sześć kwarków: góra, dół, góra, dół, urok i dziwne. (Naukowcy czasami stosują dziwne konwencje nazewnictwa).
  

Rozważane są protony i neutrony bariony, najcięższa klasa cząstek zrzucanych z kwarków. Wraz z mezony, należą one do grupy cząstek znanych jako hadrony, które podlegają silnej sile jądrowej lub „kleju”, który łączy ze sobą protony i neutrony.

Podczas gdy sumowanie ładunków kwarków tworzących proton daje całkowity ładunek protonu +1, nie jest to takie proste, jeśli chodzi o moment pędu, właściwość związana z „wirowaniem”.

Proton w rzeczywistości nie obraca się wokół własnej osi tak, jak Ziemia, ale „wirowanie” to dobry sposób na wyobrażenie sobie właściwości samoistnego lub wbudowanego kąta pęd protonu (przy wartości 1/2), który pochodzi głównie z oddziaływań między kwarkami a cząstkami zwanymi leptonami, które również tworzą pewne subatomowe cząstki.

Ciekawą rzeczą dotyczącą spinu protonu jest to, że fizycy doszli do właściwej wartości (1/2) za niewłaściwą powodów, ale w XXI wieku udało nam się pogodzić wieloletnie idee teoretyczne z eksperymentalnymi wyniki.

Masa protonu powinna być mniejsza niż jest; zsumowanie mas poszczególnych kwarków daje wynik tylko około 9 procent zmierzonej masy protonu 1,67 × 10^–27 kg. Co się dzieje, aby dodać masę bez dodawania materii?

W 2018 roku grupa fizyków zastosowała nową i matematycznie złożoną technikę zwaną chromodynamiką kwantową (QCD), a dokładniej kratowa QCD, aby określić masę protonu za pomocą niestandardowych środków. Podobnie jak w przypadku spinu protonu, wyniki te były zachęcające, dając wgląd w to, skąd „pochodzi” masa protonu.

• Masa cząstek subatomowych jest często podawana w elektronowoltlub eV.