Kako izračunati maso protona

Atomi so skrivnostne stvari, ki se v vsakdanjem jeziku pojavljajo na najrazličnejše načine. Tudi če niste strokovnjak za kemijo, verjetno veste, da je atom zelo majhen del snovi in ​​da je vsa snov sestavljena iz vsaj ene vrste atoma.

"Atomski" kot pridevnik v kemiji in fiziki je dobeseden in se nanaša na lastnost entitete, imenovano atom. V priložnostnih okoliščinah pomeni skoraj izključno dogodke v drugi svetovni vojni "eksploziv", kar je zavajajoče.

Semantika na stran, atomi so zanimivi, ker kljub temu, kako majhni so v resnici, so sestavljeni iz še bolj drobnih stvari (koristno imenovanih subatomski delci). Do konca 20. stoletja zagotovo ni bilo znano, ali so ti trije primarni subatomi delci (protoni, nevtroni in elektroni) bi se lahko ločili v diskretne strukturne elementi. Opozorilo spojlerja: Lahko.

The protona je iz številnih razlogov zelo zanimiv za fizike in fizikalne kemike. Je ena od dveh subatomskih struktur, znanih kot nukleoni, in tista, ki nosi pozitiven električni naboj, v nasprotju s podobnim sopotnikom v atomskem središču.

Medtem pa elektroni, čeprav so majhni in nemogoče oddaljeni od jedra glede na velikost atoma, doživljajo interakcijo sile tudi s protoni. Pripravite se na spoznavanje različnih značilnosti teh temeljnih entitet.

Morda atome na splošno že poznate, toda nikoli ni slaba ideja, če imate bistvene stvari v mislih, ko začnete podrobneje raziskovati njegove dele.

Od leta 2020 je bilo znanih 118 elementov ali posameznih "sort" atomov. Vsak atom ima enega do 118 protonov, kar je tudi atomsko število na periodnem sistemu elementov in število, ki določa identiteto elementa. Vsi elementi poleg vodika vključujejo tudi nevtroni, ki so po masi zelo blizu protonom. Število nevtronov je enako ali blizu številu protonov, pri čemer so te različice elementov znane kot izotopi.

Masa protonov in nevtronov atoma predstavlja skoraj vso maso atoma, ker ima tretja vrsta subatomskih delcev le približno 1/1800 maso protona ali nevtrona.

Toda delci so poklicali elektroni so bistvenega pomena za organizacijo periodnega sistema, saj je število in razporeditev teh negativno nabitih delci, ki dajejo posameznim elementom vezne lastnosti, to je način, kako se povežejo (ali se ne povežejo) z drugimi atomi.

Protoni in nevtroni so pakirani skupaj v jedru, pri čemer je skupno število teh delcev od 1 do preko 200 za najtežje elemente. Zanimivo je, da se jedro ne poveča veliko, ko mu dodamo več protonov in nevtronov, ampak atom kot celota.

To pa zato, ker elektroni, številčno enaki protonom, ležijo daleč zunaj jedra v "oblakih verjetnosti" ustreza energiji, njihova velikost pa raste z atomskim številom, tudi če jedro ostane blizu istega velikost.

Protoni sedijo v jedrih atomov in jih v konceptualne namene lahko štejemo za sferične. Enako velja za nevtrone in če bi naredili tridimenzionalni model preprostega atoma, bi lahko za protone in nevtrone izbrali različno obarvane, a enako velike kroglice.

Masa protona je približno 1,67 × 10^–27 kilogramov (kg). Ta nevtron je zelo malo večji, približno 1,69 × 10^–27 kg, elektrona pa 9,11 × 10^–31 kg Prav tako je masi protona zaradi udobja dodeljena 1 atomska enota mase (amu). Ta enota se uporablja tudi za druge subatomske delce; masa elektronov v amu (atomske masne enote) je 0,00055.

Naboj protona se imenuje "plus ena" ali +1 glede na druge fizične delce, saj je bil nekoč verjeli, da protoni (in elektroni) predstavljajo najmanjše enote naboja, kar koli v naravi lahko imeti. Velikost te vrednosti (pozitivna za protone, negativna za elektrone, zaradi česar te delce elektrostatična sila medsebojno privlači) je 1,6 × 10–19 C.

Treba je omeniti, samo zato, da bi cenili delo fizikov in kemikov, da so bili protoni dolgo časa ne štejejo za razpadajoče (kar pomeni, da v bistvu obstajajo "za vedno", ko se enkrat oblikujejo), se domneva, da imajo razpolovni čas približno 10³² do 10³³ letih. Glede na to, da je starost samega vesolja približno 1,4 × 10¹⁰ let, če bi radioaktivno razpadanje protonov bil povsem loterijski podvig!

Protoni, kakršni koli so, so tudi sestavljeni iz lastnih gradnikov. Tako protoni kot nevtroni so pravzaprav sestavljeni iz treh posameznih delcev, ki predstavljajo vrste kvarkov (o tistih kmalu več). Tako protoni kot nevtroni so sestavljeni iz neke kombinacije treh "gor" in "down" kvarkov. Če pa ima proton naboj +1 in je nevtron nevtralen, kako je to mogoče?

Odgovor se skriva v dejstvu, da se izkaže, da je "enota" ali "temeljni" naboj navsezadnje deljiv, vsaj v posebnih okoliščinah kvarkov. Če je proton sestavljen iz 2 kvarkov navzgor in 1 kvarka navzdol, medtem ko ima nevtron 1 kvark gor in 2 kvarka navzdol, se kvarku dodeli naboj + (2/3) in spodnjem kvarku - (2/3) vprašanje.

• Vsem je znanih šest kvarkov: gor, dol, zgoraj, spodaj, čar in čudno. (Znanstveniki imajo včasih čudne konvencije o poimenovanju).
  

Upoštevajo se protoni in nevtroni barjoni, najtežji razred delcev, vrženih skupaj iz kvarkov. Skupaj z mezoni, spadajo v skupino delcev, znanih kot hadroni, ki so podvrženi močni jedrski sili ali "lepilu", ki drži protone in nevtrone skupaj.

Medtem ko seštevanje nabojev kvarkov, ki tvorijo proton, da skupni naboj protona +1, pri vprašanju ni tako preprosto kotni moment, lastnost, povezana z "spin".

Proton se dejansko ne vrti tako kot Zemlja okoli svoje osi, toda "spin" je dober način, da si zamislimo lastnost lastne ali vgrajene kotne oblike zagon protona (glede na vrednost 1/2), ki izhaja predvsem iz interakcij med kvarki in delci, imenovanimi leptoni, ki tvorijo tudi nekatere subatomske delcev.

Zanimivost protonskega vrtenja je, da so fiziki prišli do prave vrednosti (1/2) za napačno razlogi, vendar so v 21. stoletju dolgoletne teoretične ideje lahko uskladili z eksperimentalnimi rezultatov.

Masa protona mora biti manjša, kot je; seštevanje mas posameznih kvarkov da rezultat le približno 9 odstotkov mase izmerjene protonske mase 1,67 × 10^–27 kg Kaj se dogaja za dodajanje mase brez dodajanja snovi?

Leta 2018 je skupina fizikov uporabila nastajajočo in matematično zapleteno tehniko, imenovano kvantna kromodinamika (QCD) ali natančneje rešetkasti QCD, da določimo maso protona z nestandardnimi sredstvi. Tako kot pri protonskem vrtenju so bili tudi ti rezultati spodbudni, saj so ponudili vpogled v to, od kod "izvira" protonska masa.

• Masa za subatomske delce je pogosto podana v elektron-voltovali eV.