Как рассчитать массу протона

Атомы - это загадочные вещи, которые в повседневном языке проявляются самыми разными способами. Даже если вы не специалист по химии, вы, вероятно, знаете, что атом - это очень крошечная часть материи, и что вся материя состоит по крайней мере из одного вида атомов.

«Атомный» как прилагательное в химии и физике буквально означает свойство объекта, называемого атомом. В случайном контексте, почти исключительно благодаря событиям Второй мировой войны, это слово означает «взрывоопасный», что вводит в заблуждение.

Помимо семантики, атомы интересны, потому что, несмотря на то, насколько они действительно крошечные, они состоят из еще более крошечных вещей (которые иногда называют субатомными частицами). До конца ХХ века было неизвестно, являются ли эти три первичных субатомных атома сами частицы (протоны, нейтроны и электроны) могут быть разделены на дискретные структурные элементы. Спойлер: они могут.

В протон представляет большой интерес для физиков и физико-химиков по ряду причин. Это одна из двух субатомных структур, известных как нуклоны, и та, которая несет положительный электрический заряд, в отличие от своего компаньона такого же размера в атомном центре.

Между тем, электроны, хотя и крошечные и невероятно удаленные от ядра по сравнению с размером атома, также испытывают силовые взаимодействия с протонами. Приготовьтесь узнать о различных отличительных чертах этих фундаментальных сущностей.

Возможно, вы уже знакомы с атомами в целом, но никогда не будет плохой идеей иметь в виду самое главное, когда вы начинаете исследовать его части более подробно.

По состоянию на 2020 год насчитывалось 118 известных элементов или отдельных «разновидностей» атомов. Каждый атом имеет от одного до 118 протонов, что также является атомным номером в периодической таблице элементов и числом, определяющим идентичность элемента. Все элементы, кроме водорода, также включают нейтроны, которые по массе очень близки к протонам. Число нейтронов такое же или близко к числу протонов, с этими вариациями элементов, известными как изотопы.

Масса протонов и нейтронов в атоме составляет почти всю массу атома, потому что субатомные частицы третьего типа имеют лишь около 1/1800 массы протона или нейтрона.

Но частицы под названием электроны жизненно важны для организации периодической таблицы, поскольку это количество и расположение отрицательно заряженных частицы, которые придают отдельным элементам их связывающие свойства, то есть способ, которым они соединяются (или не могут соединяться) с другими атомы.

Протоны и нейтроны упакованы вместе в ядре, а общее количество этих частиц колеблется от 1 до более 200 для самых тяжелых элементов. Интересно, что ядро ​​не сильно увеличивается в размерах, когда добавляется больше протонов и нейтронов, в отличие от атома в целом.

Это связано с тем, что электроны, по количеству идентичные протонам, лежат далеко за пределами ядра в «облаках вероятности». соответствующие энергии, и размер их растет с атомным номером, даже если ядро ​​остается близким к тому же самому размер.

Протоны находятся в ядрах атомов и в концептуальных целях могут считаться сферическими. То же самое и с нейтронами, и если бы вы создали трехмерную модель простого атома, вы могли бы выбрать для протонов и нейтронов шары разного цвета, но одинакового размера.

Масса протона около 1,67 × 10^–27 килограммы (кг). У нейтрона немного больше, примерно 1,69 × 10.^–27 кг, а электрона - 9,11 × 10^–31 кг. Кроме того, для удобства массе протона присвоена 1 атомная единица массы (а.е.м.). Эта единица используется также для других субатомных частиц; масса электронов в а.е.м. (атомные единицы массы) составляет 0,00055.

Заряд протона называется «плюс один» или +1 по отношению к другим физическим частицам, поскольку он был когда-то считал, что протоны (и электроны) представляют собой наименьшие единицы заряда, которые в природе могут имеют. Величина этой величины (положительная для протонов, отрицательная для электронов, поэтому эти частицы притягиваются друг к другу электростатической силой) составляет 1,6 × 10–19 C.

Стоит отметить, просто ради оценки работы физиков и химиков, что протоны долгое время были не считаются проявляющими распад (это означает, что они в основном существуют «вечно» после образования), как полагают, имеют период полураспада около 10³² до 10³³ годы. Учитывая, что возраст самой Вселенной составляет около 1,4 × 10¹⁰ лет, увидеть радиоактивный распад протона было бы настоящим подвигом на уровне лотереи!

Протоны, сколь бы малы они ни были, также состоят из собственных строительных блоков. И протоны, и нейтроны, по сути, состоят из трех отдельных частиц, которые представляют типы кварков (подробнее о них скоро). И протоны, и нейтроны состоят из некоторой комбинации трех «верхних» кварков и «нижних» кварков. Но если протон имеет заряд +1, а нейтрон нейтрон, как это может быть?

Ответ заключается в том, что +1 «единица» или «основной» заряд оказывается делимым, в конце концов, по крайней мере, в особых условиях кварков. Если протон состоит из 2 верхних кварков и 1 нижнего кварка, в то время как нейтрон имеет 1 верхний кварк и 2 нижних кварка, присвоение заряда + (2/3) верхнему кварку и - (2/3) нижнему кварку разрешает проблема.

• Всего известно шесть кварков: вверх, вниз, вверх, вниз, очарование а также странный. (У ученых иногда бывают странные соглашения об именах).
  

Считаются протоны и нейтроны барионы самый тяжелый класс частиц, собранных из кварков. Вместе с мезоны, они принадлежат к группе частиц, известной как адроны которые подвержены сильному ядерному взаимодействию или «клею», удерживающему протоны и нейтроны вместе.

Суммирование зарядов кварков, составляющих протон, дает общий заряд протона +1, но это не так просто, когда дело доходит до угловой момент, свойство, связанное с "вращением".

Протон на самом деле не вращается, как Земля вокруг своей оси, но "вращение" - хороший способ представить себе свойство внутреннего или встроенного углового импульс протона (с учетом значения 1/2), который в основном возникает из-за взаимодействий между кварками и частицами, называемыми лептонами, которые также составляют определенные субатомные частицы.

В отношении спина протона интересно то, что физики пришли к правильному значению (1/2) вместо неправильного. причин, но в 21 веке смогли согласовать давние теоретические идеи с экспериментальными полученные результаты.

Масса протона должна быть меньше, чем она есть; сложение масс отдельных кварков дает результат только около 9 процентов от измеренной массы протона 1,67 × 10^–27 кг. Что происходит для увеличения массы без добавления вещества?

В 2018 году группа физиков использовала новый и математически сложный метод под названием квантовая хромодинамика (QCD), а точнее решеточная КХД, чтобы определить массу протона нестандартными средствами. Как и в случае со спином протона, эти результаты были обнадеживающими, предлагая понимание того, откуда «берется масса» протона.

• Масса субатомных частиц часто выражается в электрон-вольт, или эВ.