Ako vypočítať hmotnosť protónu

Atómy sú záhadné veci, ktoré sa v každodennom jazyku objavujú rôznymi spôsobmi. Aj keď nie ste odborníkom na chémiu, pravdepodobne viete, že atóm je veľmi nepatrná časť hmoty a že všetka hmota je tvorená najmenej jedným druhom atómu.

„Atómový“ ako prídavné meno v chémii a fyzike je doslovný a označuje vlastnosť entity nazývanú atóm. V príležitostných kontextoch to takmer výlučne vďaka udalostiam v druhej svetovej vojne znamená „výbušný“, čo je zavádzajúce.

Sémantika stranou, atómy sú zaujímavé, pretože napriek tomu, ako sú v skutočnosti malé, pozostávajú z ešte jemnejších vecí (ktoré sa užitočne nazývajú subatomárne častice). Až do konca 20. storočia nebolo isté, či sú tieto tri primárne subatomárne samotné častice (protóny, neutróny a elektróny) by sa dali rozdeliť na diskrétnu štruktúru prvkov. Varovanie spojlera: Môžu.

The protón je veľkým záujmom fyzikov a fyzikálnych chemikov z mnohých dôvodov. Je to jedna z dvoch subatomárnych štruktúr známych ako nukleóny a je to tá, ktorá nesie pozitívny elektrický náboj v kontraste s jej podobne veľkým spoločníkom v atómovom strede.

Medzitým elektróny, aj keď sú malé a sú neuveriteľne vzdialené od jadra vo vzťahu k veľkosti atómu, prežívajú silové interakcie tiež s protónmi. Pripravte sa na to, aby ste sa dozvedeli o rôznych rozlišovacích znakoch týchto základných entít.

Atómy už možno všeobecne poznáte, ale nikdy nie je na škodu mať pred očami základné veci, keď začnete podrobnejšie skúmať ich časti.

Do roku 2020 bolo známych 118 prvkov alebo jednotlivé „odrody“ atómov. Každý atóm má jeden až 118 protónov, čo je tiež atómové číslo v periodickej tabuľke prvkov a číslo, ktoré určuje identitu prvku. Všetky prvky okrem vodíka tiež zahŕňajú neutróny, ktoré sú svojou hmotnosťou veľmi blízke protónom. Počet neutrónov je rovnaký alebo podobný počtu protónov, s týmito variáciami prvkov známych ako izotopy.

Hmotnosť protónov a neutrónov atómu predstavuje takmer celú hmotnosť atómu, pretože tretí druh subatomárnych častíc má iba asi 1/188 hmotnosti buď protónu alebo neutrónu.

Ale častice volali elektróny sú pre organizáciu periodickej tabuľky životne dôležité, pretože je to počet a usporiadanie týchto záporne nabitých častice, ktoré dávajú jednotlivým prvkom ich väzobné vlastnosti, t. j. spôsob, akým sa spájajú (alebo zlyhajú) s inými atómy.

Protóny a neutróny sú zhromaždené v jadre, pričom celkový počet týchto častíc sa pohybuje od 1 do 200 pre najťažšie prvky. Je zaujímavé, že jadro sa po pridaní ďalších protónov a neutrónov príliš nezväčšuje, ale atóm ako celok sa zväčšuje.

Je to tak preto, lebo elektróny, ktorých počet je identický s protónmi, ležia ďaleko za jadrom v „oblakoch pravdepodobnosti“ zodpovedajúce energii a ich veľkosť rastie s atómovým číslom, aj keď jadro zostáva takmer rovnaké veľkosť.

Protóny sedia v jadrách atómov a z koncepčných dôvodov si ich možno predstaviť ako sférické. To isté platí pre neutróny a ak by ste chceli vytvoriť trojrozmerný model jednoduchého atómu, mohli by ste zvoliť rôzne sfarbené guľky rovnakej veľkosti pre protóny a neutróny.

Hmotnosť protónu je asi 1,67 × 10^–27 kilogramov (kg). Hodnota neutrónu je o niečo väčšia, približne 1,69 × 10^–27 kg a hmotnosť elektrónu je 9,11 × 10^–31 kg Hmotnosti protónu je z dôvodu pohodlia tiež pridelená 1 atómová hmotnostná jednotka (amu). Táto jednotka sa používa aj pre ďalšie subatomárne častice; hmotnosť elektrónov v amu (atómové hmotnostné jednotky) je 0,00055.

Náboj protónu sa nazýva „plus jeden“ alebo +1 vo vzťahu k iným fyzikálnym časticiam, pretože to tak bolo kedysi verili, že protóny (a elektróny) predstavujú najmenšie jednotky náboja, aké všetko v prírode dokáže mať. Veľkosť tejto hodnoty (pozitívna pre protóny, negatívna pre elektróny, vďaka čomu sú tieto častice navzájom priťahované elektrostatickou silou) je 1,6 × 10–19 C.

Stojí za zmienku, len kvôli oceneniu práce fyzikov a chemikov, že protóny boli dlho sa nepovažuje za prejav úpadku (čo znamená, že v podstate existujú „navždy“ po vytvorení), predpokladá sa, že majú polčas približne 10³² do 10³³ rokov. Ak vezmeme do úvahy, že samotný vek vesmíru je okolo 1,4 × 10¹⁰ rokov, vidieť rádioaktívne rozpad protónov by bol celkom úspech na úrovni lotérie!

Protóny, akokoľvek sú nepatrné, sú tiež zložené z ich vlastných stavebných kameňov. Protóny aj neutróny sa v skutočnosti skladajú z troch jednotlivých častíc, ktoré predstavujú typy kvarkov (viac o nich čoskoro). Protóny aj neutróny pozostávajú z kombinácie troch kvarkov „hore“ a „dole“. Ale ak má protón náboj +1 a neutrón je neutrálny, ako to môže byť?

Odpoveď spočíva v skutočnosti, že +1 „jednotka“ alebo „základný“ náboj sa nakoniec ukážu ako deliteľné, prinajmenšom za zvláštnych okolností kvarkov. Ak sa protón skladá z 2 kvarkov a 1 kvarku, zatiaľ čo neutrón má 1 kvark a 2 kvarky, priradenie náboja + (2/3) kvarku hore a - (2/3) kvarku dolnej rozlišuje otázka.

• Je známych celkovo šesť kvarkov: hore, dole, hore, dole, kúzlo a zvláštne. (Vedci majú niekedy zvláštne pomenovacie konvencie).
  

Berú sa do úvahy protóny a neutróny baryóny, najťažšia trieda častíc zhodených z kvarkov. Spolu s mezóny, patria do skupiny častíc známej ako hadróny, ktoré podliehajú silnej jadrovej sile alebo „lepidlu“, ktoré drží protóny a neutróny pohromade.

Aj keď súčet nábojov kvarkov, ktoré tvoria protón, dáva celkový náboj protónu +1, nie je to také jednoduché, pokiaľ ide o moment hybnosti, vlastnosť súvisiaca s „spinom“.

Protón sa v skutočnosti neotáča tak, ako sa točí okolo Zeme, ale „rotácia“ je dobrý spôsob, ako si predstaviť vlastnosť vnútornej alebo zabudovanej uhlovej polohy. hybnosť protónu (vzhľadom na hodnotu 1/2), ktorá pochádza hlavne z interakcií medzi kvarkami a časticami nazývanými leptóny, ktoré tiež tvoria určité subatomárne častice.

Zaujímavosťou protónovej rotácie je, že fyzici dospeli k správnej hodnote (1/2) nesprávnej hodnoty dôvodov, ale v 21. storočí dokázali zosúladiť dlhoročné teoretické myšlienky s experimentálnymi výsledky.

Hmotnosť protónu by mala byť menšia ako je; sčítaním hmotností jednotlivých kvarkov dáva výsledok iba asi 9 percent z hmotnosti nameranej protónovej hmoty 1,67 × 10^–27 kg Čo sa chystá pridať hmotu bez pridania hmoty?

V roku 2018 skupina fyzikov použila vznikajúcu a matematicky zložitú techniku ​​zvanú kvantová chromodynamika (QCD), alebo konkrétnejšie mriežka QCD, na stanovenie hmotnosti protónu pomocou neštandardných prostriedkov. Rovnako ako v prípade protónovej rotácie, aj tieto výsledky boli povzbudivé a poskytli informácie o tom, odkiaľ „protónová masa“ pochádza.

• Hmotnosť pre subatomárne častice sa často uvádza v elektrónové voltyalebo eV.