Як обчислити масу протона

Атоми - це таємничі речі, які з’являються різними способами, що не пов’язані між собою, у повсякденній мові. Навіть якщо ви не фахівець з хімії, ви, мабуть, знаєте, що в атомі надзвичайно крихітна частина речовини і що вся речовина складається принаймні з одного виду атома.

"Атомний" як прикметник у хімії та фізиці є буквальним, посилаючись на властивість сутності, яка називається атом. У випадковому контексті, майже виключно завдяки подіям Другої світової війни, це означає "вибухонебезпечне", що вводить в оману.

Окрім семантики, атоми цікаві тим, що, незважаючи на те, наскільки вони справді крихітні, вони складаються з ще більш дрібних речей (з користю називаються субатомними частинками). До кінця 20 століття було точно невідомо, чи є ці три основні субатомні Самі частинки (протони, нейтрони та електрони) можуть бути розділені на дискретні структурні елементів. Попередження спойлера: Вони можуть.

протон представляє великий інтерес для фізиків та фізичних хіміків з ряду причин. Це одна з двох субатомних структур, відомих як нуклони, і вона несе позитивний електричний заряд, на відміну від свого супутника подібного розміру в атомному центрі.

Тим часом електрони, хоч і крихітні, і неможливо віддалені від ядра щодо розміру атома, відчувають також силові взаємодії з протонами. Підготуйтеся до вивчення різних відмітних рис цих основних сутностей.

Можливо, ви вже знайомі з атомами загалом, але ніколи не буде поганою ідеєю мати перед собою все необхідне, коли ви починаєте детальніше досліджувати його частини.

Станом на 2020 рік було відомо 118 елементів, або окремих «різновидів» атомів. Кожен атом має від одного до 118 протонів, що також є атомним номером у періодичній системі елементів і числом, яке визначає ідентичність елемента. Всі елементи, крім водню, також включають нейтрони, які за масою дуже близькі до протонів. Кількість нейтронів однакова або близька до кількості протонів з цими варіаціями елементів, відомими як ізотопи.

Маса протонів і нейтронів атома становить майже всю масу атома, оскільки третій вид субатомних частинок має лише приблизно 1/800-ю масу або протона, або нейтрона.

Але частинки називають електрони є життєво важливими для організації періодичної системи, адже це кількість і розташування цих негативно заряджених частинки, які надають окремим елементам властивості зв’язування, тобто спосіб, яким вони з’єднуються (або не вдається з’єднатися) з іншими атоми.

Протони і нейтрони упаковані в ядро, загальна кількість цих частинок коливається від 1 до понад 200 для найважчих елементів. Цікаво, що ядро ​​не значно збільшується в розмірах, коли додається більше протонів та нейтронів, але атом в цілому.

Це тому, що електрони, ідентичні за кількістю протонам, лежать далеко за межами ядра в "хмарах ймовірностей" відповідає енергії, і їх розмір зростає з атомним номером, навіть якщо ядро ​​залишається близьким до того ж розмір.

Протони сидять в ядрах атомів, і їх можна вважати сферичними для концептуальних цілей. Те саме стосується нейтронів, і якщо ви хочете створити тривимірну модель простого атома, ви можете вибрати різнобарвні, але однакові за розміром кулі для протонів і нейтронів.

Маса протона становить приблизно 1,67 × 10^–27 кілограми (кг). Показник нейтрона дуже трохи більший, приблизно 1,69 × 10^–27 кг, а електрона - 9,11 × 10^–31 кг. Крім того, масі протона для зручності присвоюється 1 атомна одиниця маси (аму). Цей пристрій також використовується для інших субатомних частинок; маса електронів в аму (одиниці атомної маси) становить 0,00055.

Заряд протона називається "плюс один", або +1, по відношенню до інших фізичних частинок, оскільки він був колись вважали, що протони (і електрони) представляють найменші одиниці заряду, що тільки може в природі мати. Величина цього значення (позитивна для протонів, негативна для електронів, завдяки чому ці частинки притягуються одна до одної електростатичною силою) становить 1,6 × 10–19 C.

Варто зауважити, лише задля оцінки праці фізиків та хіміків, що протони довгий час були вважається, що вони не демонструють розпаду (тобто вони в основному існують "назавжди" після утворення), вважається, що період напіввиведення становить близько 10³² до 10³³ років. Враховуючи, що вік самого Всесвіту становить близько 1,4 × 10¹⁰ років, бачити розпад протона радіоактивно було б цілком подвигом на рівні лотереї!

Протони, якими б вони не були, також складаються з власних будівельних блоків. І протони, і нейтрони насправді складаються з трьох окремих частинок, які представляють типи кварків (про них невдовзі). І протони, і нейтрони складаються з деякої комбінації трьох "вгору" кварків і "вниз" кварків. Але якщо у протона є заряд +1, а нейтрон нейтральний, як це може бути?

Відповідь полягає в тому, що +1 "одиниця" або "основний" заряд виявляється подільним, врешті-решт, принаймні в особливих обставинах кварків. Якщо протон складається з 2 вгору кварків і 1 низхідного кварка, тоді як нейтрон має 1 вгору кварка і 2 низхідних кварків, присвоєння заряду + (2/3) висхідному кварку і - (2/3) нижньому кварку вирішується питання.

• Всього відомо шість кварків: вгору, вниз, зверху, знизу, шарм і дивно. (Іноді вчені мають дивні конвенції щодо імен).
  

Розглядаються протони та нейтрони баріони, найважчий клас частинок, кинутих разом з кварків. Разом з мезони, вони належать до групи частинок, відомих як адрони, на які діє сильна ядерна сила або «клей», який утримує протони та нейтрони разом.

Хоча підсумовуючи заряди кварків, що складають протон, отримуємо загальний заряд протона +1, це не так просто, коли справа доходить до момент імпульсу, властивість, пов’язана із "крутитися".

Протон насправді не обертається так, як Земля навколо своєї осі, але "обертання" - це хороший спосіб уявити властивість власного або вбудованого кутового імпульс протона (з урахуванням значення 1/2), який походить переважно від взаємодій між кварками та частинками, які називаються лептонами, які також складають певні субатомні частинки.

Цікавим у спіні протонів є те, що фізики прийшли до правильного значення (1/2) для неправильного причини, але в 21 столітті вдалося гармонізувати давні теоретичні ідеї з експериментальними результати.

Маса протона повинна бути меншою, ніж вона є; підсумовування маси окремих кварків дає результат лише близько 9 відсотків маси вимірюваної маси протона 1,67 × 10^–27 кг. Що відбувається для додавання маси без додавання речовини?

У 2018 році група фізиків застосувала нову та математично складну техніку, яка отримала назву квантової хромодинаміки (КХД), або більш конкретно гратчаста КХД, щоб визначити масу протона за допомогою нестандартних засобів. Як і спін протонів, ці результати обнадіювали, пропонуючи уявлення про те, звідки маса протона "береться".

• Маса субатомних частинок часто дається в електрон-вольт, або еВ.