Hur man beräknar massan av en proton

Atomer är mystiska saker som dyker upp på alla möjliga orelaterade sätt i vardagsspråket. Även om du inte är en kemisexpert vet du förmodligen att atomen är en extremt liten del av materien och att all materia består av minst en typ av atom.

"Atom" som ett adjektiv inom kemi och fysik är bokstavligt, med hänvisning till en egenskap hos enheten som kallas en atom. I avslappnade sammanhang betyder det enbart tack vare händelser under andra världskriget "explosivt", vilket är vilseledande.

Bortsett från semantik är atomer intressanta, trots att de verkligen är små, de består av ännu mindre saker (hjälpsamt kallade subatomära partiklar). Fram till slutet av 1900-talet var det okänt med säkerhet om dessa tre primära subatomära partiklar (protoner, neutroner och elektroner) själva kunde separeras i diskret struktur element. Spoilervarning: De kan.

De proton är av stort intresse för fysiker och fysikaliska kemister av ett antal skäl. Det är en av de två subatomära strukturerna som kallas nukleoner, och det är den som bär en positiv elektrisk laddning, kontrasterad med sin motsvarande följeslagare i atomcentret.

Under tiden upplever elektroner, även om de är små och omöjligt avlägsna från kärnan i förhållande till atomens storlek, också kraftinteraktioner med protoner. Förbered dig på att lära dig om de olika kännetecknen hos dessa grundläggande enheter.

Du kanske redan känner till atomer i allmänhet, men det är aldrig en dålig idé att ha det viktigaste framför dig när du börjar utforska delar av det mer detaljerat.

Från och med 2020 fanns det 118 kända element, eller enskilda "varianter" av atomer. Varje atom har en till 118 protoner, vilket också är atomnumret i det periodiska elementet och numret som bestämmer elementets identitet. Alla element förutom väte inkluderar också neutroner, som är mycket nära protoner. Antalet neutroner är detsamma eller nära det som antalet protoner, med dessa variationer av element kända som isotoper.

Massan av en atoms protoner och neutroner står för nästan hela atommassan, eftersom den tredje typen av subatomär partikel endast har ungefär 1/1 800: e massan av antingen en proton eller en neutron.

Men partiklarna ringde elektroner är mycket viktigt för organisationen av det periodiska systemet, för det är antalet och arrangemanget av dessa negativt laddade partiklar som ger enskilda element deras bindningsegenskaper, dvs det sätt på vilket de ansluter (eller misslyckas med att ansluta) till andra atomer.

Protonerna och neutronerna är packade tillsammans i kärnan, med det totala antalet av dessa partiklar från 1 till över 200 för de tyngsta elementen. Intressant nog ökar kärnan inte mycket i storlek när fler protoner och neutroner läggs till, men atomen som helhet gör det.

Detta beror på att elektronerna, identiska i antal till protoner, ligger långt utanför kärnan i "sannolikhetsmoln" motsvarande energi, och storleken på dessa växer med atomnummer även om kärnan förblir nära densamma storlek.

Protoner sitter i atomkärnorna och kan ses som sfäriska för konceptuella ändamål. Detsamma gäller neutroner, och om du skulle göra en tredimensionell modell av en enkel atom, kunde du välja kulor med olika färg men samma storlek för protonerna och neutronerna.

Massan av en proton är cirka 1,67 × 10^–27 kg (kg). En neutron är väldigt något större, cirka 1,69 × 10^–27 kg, och den hos en elektron är 9,11 × 10^–31 kg. Dessutom tilldelas en protons massa 1 atommasseenhet (amu) för enkelhets skull. Denna enhet används också för andra subatomära partiklar; massan av elektroner i amu (atommasseenheter) är 0,00055.

Laddningen av en proton kallas "plus en" eller +1, i förhållande till andra fysiska partiklar, eftersom den var en gång trodde att protoner (och elektroner) representerade de minsta laddningsenheter som någonting i naturen kan ha. Storleken på detta värde (positivt för protoner, negativt för elektroner, vilket gör att dessa partiklar därför lockas till varandra av den elektrostatiska kraften) är 1,6 × 10–19 C.

Det är värt att notera, bara för att uppskatta fysiker och kemisters arbete, att protoner under lång tid var anses inte uppvisa förfall (vilket innebär att de i grunden existerar "för alltid" när de bildats), tros ha en halveringstid på ungefär 10³² till 10³³ år. Med tanke på att universums ålder ligger runt 1,4 × 10¹⁰ år, att se ett proton förfalla radioaktivt skulle vara ganska lotterinivå!

Protoner, så små som de är, består också av sina egna byggstenar. Både protoner och neutroner består faktiskt av tre individuella partiklar som representerar typer av kvarkar (mer om dem snart). Både protoner och neutroner består av någon kombination av tre "upp" -kvarkar och "ned" -kvarkar. Men om protonen har en +1 laddning och neutronen är neutral, hur kan det vara så?

Svaret ligger i det faktum att +1 "enhet" eller "grundläggande" laddning visar sig vara delbar, trots allt, åtminstone i den speciella omständigheten av kvarkar. Om en proton består av 2 uppkvarkar och 1 nedkvark medan en neutron har 1 uppkvark och 2 nedkvarkar, tilldelas en laddning av + (2/3) till uppkvarken och - (2/3) till nedkvarken löser sig problemet.

• Det finns sex kvarkar som är kända: upp, ner, topp, botten, charm och konstig. (Forskare har någon gång konstiga namnkonventioner).
  

Protoner och neutroner beaktas baryoner, den tyngsta partiklassen som kastas ihop från kvarker. Tillsammans med mesoner, de tillhör en grupp partiklar som kallas hadrons, som är föremål för den starka kärnkraften eller "limet" som håller samman protoner och neutroner.

Medan man summerar laddningarna för kvarkerna som utgör en proton ger protonens totala laddning +1, är det inte så enkelt när det gäller vinkelmoment, en egenskap relaterad till "snurr".

En proton roterar faktiskt inte som jorden gör runt sin axel, men "snurr" är ett bra sätt att föreställa sig egenskapen till inneboende, eller inbyggd, vinkel en protons momentum (givet värdet 1/2), som huvudsakligen kommer från interaktioner mellan kvarkar och partiklar som kallas leptoner som också utgör vissa subatomära partiklar.

Det intressanta med protonsnurr är att fysiker kom fram till rätt värde (1/2) för fel skäl, men har under 2000-talet kunnat harmonisera långvariga teoretiska idéer med experimentella resultat.

Massan av en proton bör vara mindre än den är; addering av massorna för de enskilda kvarkerna ger endast ett resultat av cirka 9 procent av den uppmätta protonmassan på 1,67 × 10^–27 kg. Vad pågår för att lägga till massa utan att lägga till materia?

År 2018 använde en grupp fysiker en framväxande och matematiskt komplex teknik som kallas kvantkromodynamik (QCD), eller mer specifikt gitter QCD, för att bestämma massan av en proton med icke-standardiserade medel. Som med protonsnurr var dessa resultat uppmuntrande och gav insikter om var protons massa "kommer ifrån."

• Mass för subatomära partiklar ges ofta i elektronvolteller eV.