Cum se calculează masa unui proton

Atomii sunt lucruri misterioase, care apar în tot felul de moduri fără legătură în limbajul cotidian. Chiar dacă nu sunteți un expert în chimie, probabil știți că atomul este o parte extrem de mică a materiei și că toată materia este alcătuită din cel puțin un fel de atom.

„Atomic” ca adjectiv în chimie și fizică este literal, referindu-se la o proprietate a entității numită atom. În contexte întâmplătoare, datorită aproape exclusiv evenimentelor din cel de-al doilea război mondial, înseamnă „exploziv”, ceea ce este înșelător.

În afară de semantică, atomii sunt interesanți deoarece, în ciuda cât de mici sunt într-adevăr, constau din lucruri chiar mai mici (numite cu ajutor particule subatomice). Până la sfârșitul secolului al XX-lea, nu se știa cu siguranță dacă aceste trei subatomice primare particulele (protoni, neutroni și electroni) pot fi separate în structuri discrete elemente. Spoiler alert: Pot.

proton prezintă un mare interes pentru fizicieni și chimiști fizici din mai multe motive. Este una dintre cele două structuri subatomice cunoscute sub numele de nucleoni și este cea care poartă o sarcină electrică pozitivă, contrastată cu însoțitorul său de dimensiuni similare în centrul atomic.

Între timp, electronii, deși sunt mici și imposibil de îndepărtați de nucleu în raport cu dimensiunea atomului, experimentează interacțiuni de forță și cu protoni. Pregătiți-vă să aflați despre diferitele trăsături distinctive ale acestor entități fundamentale.

Este posibil să fiți deja familiarizați cu atomii în general, dar nu este niciodată o idee proastă să aveți elementele esențiale în fața minții atunci când începeți să explorați mai multe părți ale acestuia.

Începând cu 2020, erau 118 elemente cunoscute sau „soiuri” individuale de atomi. Fiecare atom are de la unu la 118 protoni, care este, de asemenea, numărul atomic din tabelul periodic al elementelor și numărul care determină identitatea elementului. Toate elementele în afară de hidrogen includ, de asemenea neutroni, care sunt foarte aproape în masă de protoni. Numărul de neutroni este același sau apropiat de cel al numărului de protoni, cu aceste variații ale elementelor cunoscute sub numele de izotopi.

Masa protonilor și neutronilor unui atom reprezintă aproape toată masa atomului, deoarece al treilea tip de particulă subatomică are doar aproximativ 1 / 1.800th masa fie a unui proton, fie a unui neutron.

Dar particulele au sunat electroni sunt de o importanță vitală pentru organizarea tabelului periodic, deoarece este numărul și dispunerea acestora încărcate negativ particule care conferă elementelor individuale proprietățile lor de legătură, adică modul în care se conectează (sau nu reușesc să se conecteze) la altele atomi.

Protonii și neutronii sunt împachetați împreună în nucleu, numărul total al acestor particule variind de la 1 la peste 200 pentru cele mai grele elemente. Interesant este faptul că nucleul nu crește mult în dimensiune atunci când se adaugă mai mulți protoni și neutroni, dar atomul în ansamblu o face.

Acest lucru se datorează faptului că electronii, identici ca număr cu protoni, se află mult în afara nucleului în „nori de probabilitate” corespunzând energiei, iar dimensiunea acestora crește cu numărul atomic chiar dacă nucleul rămâne aproape de același mărimea.

Protonii stau în nucleele atomilor și pot fi considerați sferici în scopuri conceptuale. Același lucru este valabil și pentru neutroni și, dacă ar fi să faci un model tridimensional al unui atom simplu, ai putea alege bile de diferite culori, dar de aceeași dimensiune, pentru protoni și neutroni.

Masa unui proton este de aproximativ 1,67 × 10^–27 kilograme (kg). Cel al unui neutron este foarte puțin mai mare, aproximativ 1,69 × 10^–27 kg, iar cel al unui electron este de 9,11 × 10^–31 kg. De asemenea, pentru masa unui proton i se atribuie 1 unitate de masă atomică (amu) pentru comoditate. Această unitate este utilizată și pentru alte particule subatomice; masa electronilor în amu (unități de masă atomică) este 0,00055.

Încărcarea unui proton se numește „plus unu” sau +1, în raport cu alte particule fizice, așa cum a fost cândva credea că protonii (și electronii) reprezentau cele mai mici unități de sarcină pe care orice le poate avea în natură avea. Mărimea acestei valori (pozitivă pentru protoni, negativă pentru electroni, făcând astfel aceste particule atrase una de cealaltă de forța electrostatică) este de 1,6 × 10-19 C.

Este demn de remarcat, doar pentru a aprecia munca fizicienilor și a chimiștilor, că protoni pentru o lungă perioadă de timp au fost nu se consideră că prezintă decăderea (ceea ce înseamnă că practic există „pentru totdeauna” odată formate), se crede că au un timp de înjumătățire de aproximativ 10³² la 10³³ ani. Având în vedere că vârsta universului în sine este în jur de 1,4 × 10¹⁰ ani, a vedea o decădere a protonului radioactivă ar fi o faptă la nivel de loterie!

Protonii, oricât de mici sunt, sunt, de asemenea, compuși din propriile lor blocuri de construcție. Atât protonii, cât și neutronii, de fapt, constau din trei particule individuale care reprezintă tipuri de quark (mai multe despre cele din curând). Atât protonii, cât și neutronii constau dintr-o combinație de trei quarcuri „în sus” și quarcuri „în jos”. Dar dacă protonul are o sarcină +1, iar neutronul este neutru, cum poate fi acest lucru?

Răspunsul constă în faptul că +1 „unitate” sau „fundamentală” se dovedește a fi divizibilă, la urma urmei, cel puțin în circumstanța specială a quark-urilor. Dacă un proton este format din 2 quarcuri în sus și 1 quarc în jos, în timp ce un neutron are 1 quark în sus și 2 quarcuri în jos, atribuirea unei sarcini de + (2/3) quarkului în sus și - (2/3) în quarkul în jos se rezolvă Problema.

• Există șase quarkuri cunoscute în total: sus, jos, sus, jos, farmec și ciudat. (Oamenii de știință au uneori convenții de numire ciudate).
  

Se iau în considerare protonii și neutronii barioni, cea mai grea clasă de particule aruncate împreună din quarcuri. Împreună cu mezonii, aparțin unui grup de particule cunoscut sub numele de hadroni, care sunt supuse forței nucleare puternice sau „lipiciului” care ține împreună protoni și neutroni.

În timp ce însumarea încărcăturilor quark-urilor care alcătuiesc un proton oferă încărcarea totală a protonului de +1, nu este atât de simplu când vine vorba de impuls unghiular, o proprietate legată de „rotire”.

Un proton nu se rotește așa cum face Pământul în jurul axei sale, dar „rotirea” este o modalitate bună de a imagina proprietatea unghiului intrinsec sau încorporat impulsul unui proton (dată fiind valoarea 1/2), care provine în principal din interacțiunile dintre quarks și particule numite leptoni care alcătuiesc, de asemenea, anumite subatomice particule.

Interesantul despre rotirea protonului este că fizicienii au ajuns la valoarea corectă (1/2) pentru greșit motive, dar în secolul 21 au reușit să armonizeze ideile teoretice de lungă durată cu cele experimentale rezultate.

Masa unui proton ar trebui să fie mai mică decât este; adunând masele quark-urilor individuale rezultă doar aproximativ 9% din masa protonului măsurat de 1,67 × 10^–27 kg. Ce se întâmplă pentru a adăuga masă fără a adăuga materie?

În 2018, un grup de fizicieni a folosit o tehnică emergentă și complexă din punct de vedere matematic numită cromodinamică cuantică (QCD), sau mai precis rețea QCD, pentru a determina masa unui proton folosind mijloace nestandardizate. Ca și în cazul rotirii cu protoni, aceste rezultate au fost încurajatoare, oferind informații despre de unde „provine” masa protonului.

• Masa pentru particulele subatomice este adesea dată în electron-volți, sau eV.