Како израчунати масу протона

Атоми су мистериозне ствари, које се у свакодневном језику појављују на све врсте неповезаних начина. Чак и ако нисте стручњак за хемију, вероватно знате да је атом изузетно мали део материје и да се сва материја састоји од најмање једне врсте атома.

„Атомски“ као придев у хемији и физици је дослован, односи се на својство ентитета које се назива атом. У случајном контексту, готово искључиво догађајима у Другом светском рату, то значи „експлозивно“, што је обмањујуће.

Семантика на страну, атоми су занимљиви, иако се, упркос томе колико су заиста ситни, састоје од још ситнијих ствари (корисно названих субатомске честице). До краја 20. века није било сигурно познато да ли су ове три примарне субатомске саме честице (протони, неутрони и електрони) би се могле раздвојити у дискретне структурне елементи. Упозорење спојлера: Могу.

Тхе протона је од великог интереса за физичаре и физичке хемичаре из више разлога. То је једна од две субатомске структуре познате као нуклеони и она носи позитиван електрични набој, за разлику од свог пратиоца сличне величине у атомском центру.

У међувремену, електрони, иако мали и немогуће удаљени од језгра у односу на величину атома, доживљавају интеракцију силе и са протонима. Припремите се за учење о различивим карактеристикама ових основних ентитета.

Можда су вам атоми већ добро познати, али никада није лоша идеја имати пред собом оно најважније када почнете детаљније да га истражујете.

Од 2020. године било је познато 118 елемената, или појединачних „сорти“ атома. Сваки атом има један до 118 протона, што је уједно и атомски број на периодном систему елемената и број који одређује идентитет елемента. Сви елементи осим водоника такође укључују неутронима, који су по маси врло блиски протонима. Број неутрона је једнак или близу броја протона, са овим варијацијама елемената познатим као изотопи.

Маса протона и неутрона атома чини готово сву масу атома, јер трећа врста субатомских честица има само око 1/800 масе масе протона или неутрона.

Али честице зв електрони су витални за организацију периодног система, јер је њихов број и распоред негативно наелектрисан честице које појединим елементима дају својства везивања, тј. начин на који се повезују (или не успевају) са другима атома.

Протони и неутрони су спаковани заједно у језгру, са укупним бројем ових честица у распону од 1 до преко 200 за најтеже елементе. Занимљиво је да се језгро не повећава много у величини када му се дода више протона и неутрона, али атом у целини.

То је зато што електрони, по броју идентични протонима, леже далеко изван језгра у „облацима вероватноће“ одговара енергији, а величина ових расте са атомским бројем чак и ако језгро остаје близу истог величина.

Протони седе у језгрима атома и могу се сматрати сферним у концептуалне сврхе. Исто важи и за неутроне, а ако бисте требали да направите тродимензионални модел једноставног атома, за протоне и неутроне можете одабрати куглице различите боје, али исте величине.

Маса протона је око 1,67 × 10^–27 килограма (кг). Неутрон је врло мало већи, око 1,69 × 10^–27 кг, а електрона 9,11 × 10^–31 кг. Такође, маси протона је због погодности додељена 1 атомска јединица масе (аму). Ова јединица се користи и за друге субатомске честице; маса електрона у аму (атомске јединице масе) је 0,00055.

Наелектрисање протона назива се "плус један", или +1, у односу на друге физичке честице, откад је било некада веровали да протони (и електрони) представљају најмање јединице наелектрисања све што природа може имати. Величина ове вредности (позитивна за протоне, негативна за електроне, због чега се ове честице електростатичком силом међусобно привлаче) је 1,6 × 10–19 Ц.

Вреди напоменути, само да би ценили рад физичара и хемичара, да су протони дуго били за које се не сматра да показују пропадање (што значи да у основи постоје „заувек“ када се једном формирају), верује се да имају полуживот око 10³² до 10³³ године. Узимајући у обзир да је старост самог универзума око 1,4 × 10¹⁰ године, видети распад протона радиоактивно био би подвиг на лутрији!

Протони, какви су ситни, такође су састављени од властитих грађевних блокова. И протони и неутрони се у ствари састоје од три појединачне честице које представљају типове кваркова (о њима ускоро више). И протони и неутрони састоје се од неке комбинације три кварка "горе" и "доле". Али ако протон има +1 наелектрисање, а неутрон је неутралан, како то може бити?

Одговор лежи у чињеници да се испоставља да је +1 „јединица“ или „основни“ набој дељив, уосталом, бар у посебним околностима кваркова. Ако се протон састоји од 2 горња кварка и 1 доњег кварка, док неутрон има 1 горњи кварк и 2 доња кварка, додељивање набоја од + (2/3) горњем кварку и - (2/3) доњем кварку се решава питање.

• Познато је шест кваркова: горе, доле, горе, доле, шарм и чудан. (Научници понекад имају необичне конвенције именовања).
  

У обзир се узимају протони и неутрони барионс, најтежа класа честица бачених заједно из кваркова. Упоредо са мезони, припадају групи честица познатих као хадрони, који су подложни снажној нуклеарној сили или „лепку“ који држи протоне и неутроне на окупу.

Иако сумирање набоја кваркова који чине протон даје укупан набој протона од +1, то није тако једноставно када је реч о момент импулса, својство повезано са „окретањем“.

Протон се заправо не окреће попут Земље око своје осе, али „окретање“ је добар начин да се замисли својство суштинског, или уграђеног, углатог замах протона (с обзиром на вредност 1/2), који углавном долази од интеракција између кваркова и честица званих лептони, које такође чине одређене субатомске честице.

Занимљивост у вези са окретањем протона је да су физичари дошли до праве вредности (1/2) за погрешну разлога, али су у 21. веку успели да ускладе дугогодишње теоријске идеје са експерименталним резултати.

Маса протона треба да буде мања него што јесте; збрајањем маса појединих кваркова добије се резултат само око 9 процената масе измерене протонске масе 1,67 × 10^–27 кг. Шта се догађа да се дода маса без додавања материје?

2018. године група физичара користила је нову и математички сложену технику названу квантна хромодинамика (КЦД), или тачније решеткасти КЦД, да би се одредила маса протона помоћу нестандардних средстава. Као и код ротације протона, ови резултати су били охрабрујући, нудећи увид у то одакле протонска маса „долази“.

• Маса за субатомске честице се често даје у електрон-волти, или еВ.