วิธีการคำนวณมวลของโปรตอน

อะตอมเป็นสิ่งที่ลึกลับ ปรากฏขึ้นในรูปแบบที่ไม่เกี่ยวข้องกันในภาษาในชีวิตประจำวัน แม้ว่าคุณจะไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้านเคมี แต่คุณก็อาจรู้ว่าอะตอมเป็นส่วนที่เล็กมากของสสาร และสสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมอย่างน้อยหนึ่งชนิด

"อะตอม" เป็นคำคุณศัพท์ในวิชาเคมีและฟิสิกส์เป็นตัวอักษร หมายถึงคุณสมบัติของเอนทิตีที่เรียกว่าอะตอม ในบริบททั่วไป ต้องขอบคุณเหตุการณ์ในสงครามโลกครั้งที่ 2 เพียงอย่างเดียว ซึ่งหมายถึง "ระเบิด" ซึ่งทำให้เข้าใจผิด

นอกเหนือจากความหมายเชิงความหมายแล้ว อะตอมเป็นสิ่งที่น่าสนใจเพราะถึงแม้จะเล็กเพียงใด แต่พวกมันยังประกอบด้วยสิ่งที่เล็กกว่า (เรียกว่าอนุภาคย่อยของอะตอม) จนถึงปลายศตวรรษที่ 20 ไม่ทราบแน่ชัดว่าสามอะตอมหลักนี้ อนุภาค (โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน) เองสามารถแยกออกเป็นโครงสร้างที่ไม่ต่อเนื่องได้ องค์ประกอบ การแจ้งเตือนสปอยเลอร์: ทำได้

ดิ โปรตอน เป็นที่สนใจของนักฟิสิกส์และนักเคมีกายภาพด้วยเหตุผลหลายประการ มันเป็นหนึ่งในสองโครงสร้างย่อยของอะตอมที่เรียกว่านิวคลีออน และเป็นโครงสร้างที่มีประจุไฟฟ้าบวก ตรงกันข้ามกับสหายที่มีขนาดใกล้เคียงกันในใจกลางอะตอม

ในขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนถึงแม้จะเล็กและห่างไกลจากนิวเคลียสอย่างเป็นไปไม่ได้เมื่อเทียบกับขนาดของอะตอม แต่ก็ได้สัมผัสถึงแรงปฏิสัมพันธ์กับโปรตอนด้วยเช่นกัน เตรียมเรียนรู้เกี่ยวกับลักษณะเด่นต่างๆ ของเอนทิตีพื้นฐานเหล่านี้

คุณอาจคุ้นเคยกับอะตอมโดยทั่วไปแล้ว แต่ก็ไม่ควรมีข้อมูลสำคัญอยู่ตรงหน้าเมื่อคุณเริ่มสำรวจส่วนต่างๆ ของอะตอมอย่างละเอียด

ณ ปี 2020 มีองค์ประกอบที่รู้จัก 118 ธาตุ หรือ "พันธุ์" ของอะตอม แต่ละอะตอมมีโปรตอนหนึ่งถึง 118 ซึ่งเป็นเลขอะตอมในตารางธาตุและตัวเลขที่กำหนดเอกลักษณ์ของธาตุ องค์ประกอบทั้งหมดนอกเหนือจากไฮโดรเจนยังรวมถึง นิวตรอนซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนมาก จำนวนนิวตรอนจะเท่ากันหรือใกล้เคียงกันกับจำนวนโปรตอน โดยรูปแบบต่างๆ ของธาตุเหล่านี้เรียกว่า ไอโซโทป.

มวลของโปรตอนและนิวตรอนของอะตอมคิดเป็นมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม เนื่องจากอนุภาคย่อยของอะตอมชนิดที่สามมีมวลเพียงประมาณ 1/1,800 ของโปรตอนหรือนิวตรอน

แต่อนุภาคที่เรียกว่า อิเล็กตรอน มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจัดระเบียบของตารางธาตุเพราะเป็นจำนวนและการจัดเรียงของประจุลบเหล่านี้ อนุภาคที่ให้คุณสมบัติการยึดเหนี่ยวขององค์ประกอบแต่ละอย่าง กล่าวคือ ลักษณะที่พวกมันเชื่อมต่อ (หรือไม่สามารถเชื่อมต่อ) กับองค์ประกอบอื่นๆ อะตอม

โปรตอนและนิวตรอนถูกรวมเข้าด้วยกันในนิวเคลียส โดยมีจำนวนอนุภาคทั้งหมดตั้งแต่ 1 ถึงมากกว่า 200 สำหรับธาตุที่หนักที่สุด ที่น่าสนใจคือ นิวเคลียสไม่ได้เพิ่มขนาดมากนักเมื่อมีการเพิ่มโปรตอนและนิวตรอนมากขึ้น แต่อะตอมโดยรวมจะเพิ่มขนาดขึ้น

นี่เป็นเพราะว่าอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากันกับโปรตอนอยู่นอกนิวเคลียสใน "เมฆความน่าจะเป็น" สอดคล้องกับพลังงาน และขนาดของสิ่งเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอมแม้ว่านิวเคลียสจะยังคงอยู่ใกล้กัน ขนาด.

โปรตอนอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมและอาจถูกมองว่าเป็นทรงกลมเพื่อจุดประสงค์ทางแนวคิด นิวตรอนก็เหมือนกัน และถ้าคุณจะสร้างแบบจำลองสามมิติของอะตอมอย่างง่าย คุณสามารถเลือกลูกบอลที่มีสีต่างกันแต่มีขนาดเท่ากันสำหรับโปรตอนและนิวตรอน

มวลของโปรตอนมีค่าประมาณ 1.67 × 10^–27 กิโลกรัม (กก.) ของนิวตรอนนั้นมากกว่าเล็กน้อยมาก ประมาณ 1.69 × 10^–27 กก. และอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.11 × 10^–31 กิโลกรัม. นอกจากนี้ มวลของโปรตอนยังถูกกำหนด 1 หน่วยมวลอะตอม (amu) เพื่อความสะดวก หน่วยนี้ใช้สำหรับอนุภาคย่อยอื่นเช่นกัน มวลของอิเล็กตรอนใน amu (หน่วยมวลอะตอม) คือ 0.00055

ประจุของโปรตอนเรียกว่า "บวกหนึ่ง" หรือ +1 ซึ่งสัมพันธ์กับอนุภาคทางกายภาพอื่น ๆ เนื่องจากเป็น ครั้งหนึ่งเคยเชื่อว่าโปรตอน (และอิเล็กตรอน) เป็นตัวแทนของหน่วยประจุที่เล็กที่สุดในธรรมชาติ มี. ขนาดของค่านี้ (บวกสำหรับโปรตอน ค่าลบสำหรับอิเล็กตรอน ทำให้อนุภาคเหล่านี้ดึงดูดกันและกันด้วยแรงไฟฟ้าสถิต) คือ 1.6 × 10–19 C

เป็นที่น่าสังเกตว่าเพียงเพื่อเห็นคุณค่าการทำงานของนักฟิสิกส์และนักเคมีว่าโปรตอนเป็นเวลานาน ไม่ถือว่ามีการเสื่อมสลาย (หมายถึงโดยพื้นฐานแล้วมีอยู่ "ตลอดไป" เมื่อก่อตัวขึ้น) เชื่อว่ามีครึ่งชีวิตประมาณ 10³² ถึง 10³³ ปี. โดยพิจารณาว่าอายุของเอกภพเองนั้นอยู่ที่ประมาณ 1.4 × 10¹⁰ หลายปีที่ได้เห็นโปรตอนสลายตัวด้วยกัมมันตภาพรังสีจะค่อนข้างประสบความสำเร็จในระดับลอตเตอรี!

โปรตอนยังประกอบด้วยหน่วยการสร้างของตัวเอง ทั้งโปรตอนและนิวตรอน อันที่จริง ประกอบด้วยอนุภาคสามตัวที่เป็นตัวแทนของประเภทของควาร์ก ทั้งโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์ก "ขึ้น" และ "ดาวน์" สามตัวรวมกัน แต่ถ้าโปรตอนมีประจุ +1 และนิวตรอนเป็นกลาง มันจะเป็นไปได้อย่างไร?

คำตอบอยู่ที่ข้อเท็จจริงที่ว่าประจุ +1 "หน่วย" หรือ "พื้นฐาน" นั้นสามารถหารลงตัวได้ อย่างน้อยก็ในกรณีพิเศษของควาร์ก หากโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาวน์ควาร์ก 1 ตัว ในขณะที่นิวตรอนมีอัพควาร์ก 1 ตัวและดาวน์ควาร์ก 2 ตัว ให้ประจุ +(2/3) แก่อัพควาร์กและ – (2/3) ให้กับดาวน์ควาร์ก ปัญหา.

• รู้จักควาร์กทั้งหมด 6 ตัว: ขึ้น, ลง, บน, ล่าง, เสน่ห์ และ แปลก. (นักวิทยาศาสตร์บางครั้งมีรูปแบบการตั้งชื่อที่แปลก)
  

พิจารณาโปรตอนและนิวตรอน แบริออน, อนุภาคที่หนักที่สุดที่ถูกโยนเข้าด้วยกันจากควาร์ก พร้อมด้วย มีซอนอยู่ในกลุ่มของอนุภาคที่เรียกว่า ฮาดรอน, ซึ่งอยู่ภายใต้แรงนิวเคลียร์อย่างแรงหรือ "กาว" ที่ยึดโปรตอนและนิวตรอนไว้ด้วยกัน

ในขณะที่การรวมประจุของควาร์กที่ประกอบเป็นโปรตอนทำให้ประจุทั้งหมดของโปรตอนอยู่ที่ +1 มันไม่ง่ายนักเมื่อพูดถึง โมเมนตัมเชิงมุม, คุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับ "สปิน"

จริง ๆ แล้วโปรตอนไม่ได้หมุนเหมือนที่โลกหมุนรอบแกนของมัน แต่ "สปิน" เป็นวิธีที่ดีในการมองเห็นคุณสมบัติของวัตถุเชิงมุมหรือเชิงมุมในตัว โมเมนตัมของโปรตอน (ค่า 1/2) ซึ่งส่วนใหญ่มาจากปฏิกิริยาระหว่างควาร์กและอนุภาคที่เรียกว่าเลปตอนซึ่งประกอบเป็นอะตอมย่อยบางตัว อนุภาค

สิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับการหมุนของโปรตอนคือนักฟิสิกส์มาถึงค่าที่ถูกต้อง (1/2) สำหรับค่าที่ไม่ถูกต้อง เหตุผล แต่ในศตวรรษที่ 21 สามารถประสานความคิดทางทฤษฎีที่มีมายาวนานกับการทดลองได้ ผล.

มวลของโปรตอนควรน้อยกว่าที่เป็นอยู่ การเพิ่มมวลของควาร์กแต่ละตัวให้ผลลัพธ์เพียง 9 เปอร์เซ็นต์ของมวลโปรตอนที่วัดได้คือ 1.67 × 10^–27 กิโลกรัม. เกิดอะไรขึ้นที่จะเพิ่มมวลโดยไม่เพิ่มสสาร?

ในปี 2018 นักฟิสิกส์กลุ่มหนึ่งใช้เทคนิคที่เกิดขึ้นใหม่และซับซ้อนทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) หรือเจาะจงมากกว่านี้ ตาข่ายQCDเพื่อกำหนดมวลของโปรตอนโดยใช้วิธีการที่ไม่เป็นมาตรฐาน เช่นเดียวกับการหมุนของโปรตอน ผลลัพธ์เหล่านี้น่ายินดี โดยให้ข้อมูลเชิงลึกว่ามวลของโปรตอน "มาจากไหน"

• มักจะให้มวลสำหรับอนุภาคย่อยใน อิเล็กตรอน-โวลต์, หรือ eV.