Bir Protonun Kütlesi Nasıl Hesaplanır

Atomlar, günlük dilde her türlü ilgisiz şekilde görünen gizemli şeylerdir. Kimya uzmanı olmasanız bile, muhtemelen atomda maddenin son derece küçük bir parçası olduğunu ve tüm maddenin en az bir tür atomdan oluştuğunu biliyorsunuzdur.

Kimya ve fizikte bir sıfat olarak "Atomik", varlığın atom adı verilen bir özelliğine atıfta bulunarak değişmezdir. Gündelik bağlamlarda, neredeyse yalnızca İkinci Dünya Savaşı'ndaki olaylar sayesinde, yanıltıcı olan "patlayıcı" anlamına gelir.

Anlambilim bir yana, atomlar ilginçtir, çünkü gerçekte ne kadar küçük olsalar da, daha da küçük şeylerden oluşurlar (yararlı olarak atom altı parçacıklar denir). 20. yüzyılın sonlarına kadar, bu üç ana atom altı atomun olup olmadığı kesin olarak bilinmiyordu. parçacıkların (protonlar, nötronlar ve elektronlar) kendileri ayrı yapısal parçalara ayrılabilir. elementler. Spoiler uyarısı: Yapabilirler.

proton birçok nedenden dolayı fizikçiler ve fiziksel kimyagerler için büyük ilgi görmektedir. Nükleonlar olarak bilinen iki atom altı yapıdan biridir ve atom merkezindeki benzer büyüklükteki arkadaşının aksine, pozitif bir elektrik yükü taşıyandır.

Bu arada elektronlar, atomun boyutuna göre çekirdekten çok küçük ve imkansız derecede uzak olsalar da, protonlarla da kuvvet etkileşimleri yaşarlar. Bu temel varlıkların çeşitli ayırt edici özelliklerini öğrenmeye hazırlanın.

Genel olarak atomlara zaten aşina olabilirsiniz, ancak parçalarını daha ayrıntılı olarak keşfetmeye başladığınızda, temel unsurların zihninizin önünde olması asla kötü bir fikir değildir.

2020 itibariyle, bilinen 118 element veya atomların bireysel "çeşitleri" vardı. Her atomun bir ila 118 protonu vardır, bu aynı zamanda elementlerin periyodik tablosundaki atom numarası ve elementin kimliğini belirleyen sayıdır. Hidrojen dışındaki tüm elementler ayrıca şunları içerir: nötronlarProtonlara kütlece çok yakın olan. Nötron sayısı, proton sayısı ile aynı veya ona yakındır, elementlerin bu varyasyonları olarak bilinir. izotoplar.

Bir atomun proton ve nötronlarının kütlesi, atom kütlesinin neredeyse tamamını oluşturur, çünkü üçüncü tür atom altı parçacık, bir proton veya nötronun kütlesinin sadece yaklaşık 1/1,800'üne sahiptir.

Ama parçacıklar denilen elektronlar Periyodik tablonun organizasyonu için hayati önem taşır, çünkü bu negatif yüklülerin sayısı ve düzenidir. Tek tek elemanlara bağlanma özelliklerini, yani diğer elemanlara bağlanma (veya bağlanmama) tarzlarını veren parçacıklar. atomlar.

Protonlar ve nötronlar, en ağır elementler için 1 ila 200 arasında değişen bu parçacıkların toplam sayısı ile çekirdekte birlikte paketlenir. İlginç bir şekilde, daha fazla proton ve nötron eklendiğinde çekirdeğin boyutu fazla artmaz, ancak bir bütün olarak atom artar.

Bunun nedeni, sayıca protonlarla aynı olan elektronların çekirdeğin çok dışında "olasılık bulutları" içinde yer almasıdır. enerjiye karşılık gelir ve çekirdek aynı kalsa bile bunların boyutu atom numarasıyla birlikte büyür. boyut.

Protonlar atomların çekirdeğinde bulunur ve kavramsal amaçlar için küresel olarak düşünülebilir. Aynı şey nötronlar için de geçerlidir ve basit bir atomun üç boyutlu bir modelini yapacak olsaydınız, protonlar ve nötronlar için farklı renkli ama aynı büyüklükte toplar seçebilirdiniz.

Bir protonun kütlesi yaklaşık 1.67 × 10'dur.^–27 kilogram (kg). Bir nötronunki çok az daha büyüktür, yaklaşık 1.69 × 10^–27 kg ve bir elektronunki 9.11 × 10^–31 kilogram. Ayrıca, kolaylık olması için bir protonun kütlesine 1 atomik kütle birimi (amu) atanır. Bu birim diğer atom altı parçacıklar için de kullanılır; amu (atomik kütle birimleri) cinsinden elektron kütlesi 0.00055'tir.

Bir protonun yükü, diğer fiziksel parçacıklara göre "artı bir" veya +1 olarak adlandırılır. bir zamanlar protonların (ve elektronların) doğadaki herhangi bir şeyin yapabileceği en küçük yük birimlerini temsil ettiğine inanmıştı. Sahip olmak. Bu değerin büyüklüğü (protonlar için pozitif, elektronlar için negatif, dolayısıyla bu parçacıkları elektrostatik kuvvet tarafından birbirini çeker hale getirir) 1,6 × 10–19 C'dir.

Sadece fizikçilerin ve kimyagerlerin çalışmalarını takdir etmek adına, protonların uzun süredir çürüme göstermediği düşünülür (temelde bir kez oluştuklarında "sonsuza kadar" var oldukları anlamına gelir), yaklaşık yarı ömre sahip olduklarına inanılır. 10³² 10'a kadar³³ yıllar. Evrenin kendisinin yaşının 1.4×10 civarında olduğunu düşünürsek¹⁰ Yıllarca, bir proton bozunmasını radyoaktif olarak görmek, piyango düzeyinde bir başarı olurdu!

Protonlar, ne kadar küçük olursa olsun, kendi yapı taşlarından oluşur. Aslında hem protonlar hem de nötronlar, kuark türlerini temsil eden üç ayrı parçacıktan oluşur (yakında daha fazlası için). Hem protonlar hem de nötronlar, üç "yukarı" kuark ve "aşağı" kuarkın bazı kombinasyonlarından oluşur. Fakat protonun +1 yükü varsa ve nötron nötr ise, bu nasıl olabilir?

Cevap, +1 "birim" veya "temel" yükün, en azından kuarkların özel durumunda, her şeye rağmen bölünebilir olduğu gerçeğinde yatmaktadır. Bir proton 2 yukarı kuark ve 1 aşağı kuarktan oluşuyorsa, bir nötronda 1 yukarı kuark ve 2 aşağı kuark varsa, yukarı kuarka +(2/3) ve aşağı kuarka -(2/3) yük atamak çözümlenir. sorun.

• Toplamda bilinen altı kuark vardır: yukarı, aşağı, üst, alt, çekicilik ve garip. (Bilim adamlarının bazen garip adlandırma kuralları vardır).
  

Protonlar ve nötronlar kabul edilir baryonlar, kuarklardan birlikte atılan en ağır parçacık sınıfı. İle birlikte mezonlarolarak bilinen bir parçacık grubuna aittirler. hadronlar, güçlü nükleer kuvvete veya protonları ve nötronları bir arada tutan "tutkal"a tabidirler.

Bir protonu oluşturan kuarkların yüklerini toplamak, protonun toplam yükünü +1 verirken, iş o kadar basit değil. açısal momentum, "spin" ile ilgili bir özellik.

Bir proton aslında Dünya'nın kendi ekseni etrafında yaptığı gibi dönmez, ancak "dönme", içsel veya yerleşik, açısal özelliği tasavvur etmenin iyi bir yoludur. Bir protonun momentumu (1/2 değeri verilir), esas olarak kuarklar ile lepton adı verilen ve aynı zamanda belirli atom altı yapılarını oluşturan parçacıklar arasındaki etkileşimlerden gelir. parçacıklar.

Proton dönüşüyle ​​ilgili ilginç olan şey, fizikçilerin yanlış için doğru değere (1/2) varmasıdır ancak 21. yüzyılda uzun süredir devam eden teorik fikirleri deneysel fikirlerle uyumlu hale getirebildiler. Sonuçlar.

Bir protonun kütlesi olduğundan daha az olmalıdır; tek tek kuarkların kütlelerini toplamak, ölçülen 1.67 x 10 proton kütlesinin yalnızca yüzde 9'u kadar bir sonuç verir.^–27 kilogram. Madde eklemeden kütle eklemek için neler oluyor?

2018'de bir grup fizikçi, kuantum renk dinamiği adı verilen yeni ortaya çıkan ve matematiksel olarak karmaşık bir teknik kullandı (QCD) veya daha spesifik olarak kafes QCD, standart olmayan araçlar kullanarak bir protonun kütlesini belirlemek için. Proton dönüşünde olduğu gibi, bu sonuçlar cesaret vericiydi ve proton kütlesinin "nereden geldiğine" dair içgörüler sunuyordu.

• Atom altı parçacıkların kütlesi genellikle şu şekilde verilir: elektron-voltveya eV.