Protony to małe cząstki subatomowe, które razem z neutronami tworzą jądro atomu.
cięższy kukurydzaZawiera więcej protonów (i neutronów). Wodór, który jest najlżejszym pierwiastkiem, ma jądro złożone z jednego protonu. Najcięższy pierwiastek w układzie okresowym, Oganesson, ma 118 protonów.
Protony nie są cząstkami elementarnymi. W rzeczywistości składa się z mniejszych cząstek tzw cząstki elementarne. Podobnie jak neutrony, protony zawierają trzy kwarki (dwa „górne” i jeden „dolny”), które są utrzymywane razem wewnątrz protonu przez Czysta siła. Cząstki zbudowane z trzech kwarków to tzwbariony„więc kiedy fizycy odnoszą się do „materii barionowej”, mają na myśli konkretnie materię zbudowaną z protonów i neutronów, które tworzą atomy, które następnie budują wszystkich ludzi, planety i gwiazdy, galaktyki I wszystko inne widzimy wyraźnie Wszechświat wokół nas.
Odkrycie protonów
Przez większą część XIX wieku uważano, że atomy są najmniejszymi i najbardziej podstawowymi budulcami całej materii, ale wraz z końcem tego stulecia zaczęły pojawiać się dowody na to, że atomy w rzeczywistości składają się z mniejszych cząstek. Naukowcy rozpoczęli eksperymenty z promieniami anodowymi i katodowymi – dodatnio i ujemnie naładowanymi promieniami wytwarzanymi przez lampy wyładowcze.
w 1897 r JJ Thompsona (Otwiera się w nowej karcie) Odkrył, że promienie katodowe to strumienie elektrycznie ujemnych cząstek subatomowych tzw elektrony, które zostały uwolnione z atomów w rurze wyładowczej. Z kolei promienie anodowe powinny być strumieniami jonów, które są dodatnio naładowanymi atomami. W szczególności jony wodoru w promieniach anody zidentyfikował w 1898 roku niemiecki fizyk Wilhelma Wayne’a (Otwiera się w nowej karcie).
Dlatego pierwszą hipotezą dotyczącą struktury atomów było to, że ujemnie naładowane elektrony dyfundowały przez amorficzną masę o ładunku dodatnim. Nazywano go modelem puddingu śliwkowego, w którym elektrony są podobne do brzoskwiń zatopionych w cieście.
fizyk brytyjski Ernesta Rutherforda W tej formie było to wątpliwe. Między 1909 a 1911 rokiem Hansa Geigera i Ernesta Marsdenapod kierunkiem Rutherforda na Uniwersytecie w Manchesterze, uruchomił tzw cząstki alfa – to, co dziś znamy jako jądro helu – na kartce złotej folii. W modelu cukierków śliwkowych cząstki alfa powinny przejść bezpośrednio przez atomy złota lub nieznacznie się odchylić.
(Otwiera się w nowej karcie)
Zamiast tego Geiger i Marsden znaleźli V.I doświadczenie że czasami cząstki alfa są odchylane pod dużymi kątami, a nawet odbijają się prosto z powrotem. Może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy w środku atomu znajdują się węzły ładunków elektrycznych, zamiast rozprzestrzeniać się, jak w modelu cukierka śliwkowego. To przekonało Rutherforda, że atomy w rzeczywistości składają się z małego, wąskiego jądra otoczonego pustą przestrzenią z elektronami krążącymi wokół jądra w dużej odległości.
Ten model, choć uproszczony w tym sensie, że nie obejmuje kwantowo-mechanicznego zachowania elektronów, nosi nazwę modelu Bohra po, po Nielsa Bohraktóry wraz z Rutherfordem połączył wszystkie elementy w całość.
W eksperymencie ze złotymi płatkami odchylone cząstki alfa napotkały te jądra. Ale z czego zbudowane jest jądro?
Różne eksperymenty, w tym niektóre przeprowadzone przez Rutherforda, wykazały, że jądra wodoru mogą powstawać z innych pierwiastków, a do 1920 r. Rutherford odkrył, że jądra wodoru powinny być podstawowym budulcem wszystkich jąder atomowych, ponieważ wodór jest najlżejszym pierwiastkiem. Nazwał jądro wodoru protonem, co po grecku oznacza „pierwszy”, ponieważ Rutherford uważał je za pierwszy budulec wszystkich atomów. Dziś wiemy, że protony (i neutrony) składają się z mniejszych cząstek, kwarków, a jądro atomu składa się z protonów i neutronów (z wyjątkiem podstawowej postaci wodoru, która nie ma neutronów).
Jaki jest koszt protonu?
Proton zawiera tzwprzesyłka wstępna (Otwiera się w nowej karcie)„lub w skrócie „e”. Jest to podstawowa jednostka ładunku, względem której mierzone są wszystkie inne ładunki. Tylko kwarki mają mniejszy ładunek, stanowiący jedną trzecią lub dwie trzecie ładunku elementarnego.
Elementarny ładunek protonu wynosi 1,602192 x 10^-19 kulomb (Otwiera się w nowej karcie) (c). Jest to dokładnie równe i przeciwne ładunkowi elektronu, który wynosi 1,602192 x 10^-19 kulombów. Ponieważ ich ładunki są równe, a drugi mieszkaniec jądra atomu, neutron, jest neutralny, to dopóki liczba protonów i elektronów jest równa, ich ładunki znoszą się i atomy są elektrycznie obojętne. Jednak usunięcie elektronu z okolic atomu, a to zaburza równowagę między skumulowanymi ładunkami elektronów i protonów, a atom staje się naładowany dodatnio – jonem.
Jaki jest rozmiar i masa protonu?
Biorąc pod uwagę, że protony są cząstkami subatomowymi w sercu atomu, są zatem bardzo małe, mają rozmiar zaledwie setek bilionowych metra (10^-15 metrów). Roberta Hofstadtera (Otwiera się w nowej karcie)który był amerykańskim fizykiem, który zdobył Nagrodę Nobla za pracę nad charakterystyką protonów i neutronów, opisał tę skalę 10^-15 metrów jako femtometr, nazwany na cześć słynnego fizyka Henryk Fermi (Otwiera się w nowej karcie).
| cząstka | masa (kg) | promień (m) | Administrator (C) |
|---|---|---|---|
| proton | 1,673 x 10^–27 | 0,83 x 10^–15 | 1,6021 x 10^–19 |
| neutron | 1,674 x 10^–27 | 0,84 x 10^–15 | bez opłat |
| elektron | 9,109 x 10^–31 | 10 ^ –18-10 ^ –22 | –1,6021 x 10^-19 |
Skalę femtometru możemy porównać do szerokości ludzkiego włosa, która mieści się w granicach jednej setnej milionowej, czyli 10^-8 metra, lub promienia całego atomu około dziesięciu części na miliard lub 10^-10 metrów.
Ze względu na swoje niewielkie rozmiary ma również niewielką masę, zaledwie 1,673 x 10^-27 kg. Odpowiada to tysiącom bilionom milionowych części kilograma. Dla porównania tak 1836 razy większy (Otwiera się w nowej karcie) elektronu (9,1 x 10 ^ –31 kg). Jest również nieco mniej masywny niż neutron (1,674 x 10^-27 kilogramów, czyli 1,008 razy masywniejszy niż proton).
protony w kosmosie
(Otwiera się w nowej karcie)
Biorąc pod uwagę, że wodór jest zdecydowanie najpowszechniejszym pierwiastkiem (lub cząsteczką) we wszechświecie, a jądra wodoru to tylko pojedyncze protony, wystarczy powiedzieć, że protonologia może nas wiele nauczyć o rozmieszczeniu materii i gwałtownych mechanizmach, które ją napędzają. niektóre z najbardziej energetycznych zjawisk we wszechświecie.
powstawanie gwiazd Mgławice Obszary H-II wypełnione gazowym wodorem są często określane w przestrzeni kosmicznej. Ten zapis oznacza, że wodór został zjonizowany przez promieniowanie ultrafioletowe od młodości gwiazdy wokół niego (HI to obojętny wodór atomowy; H-II to zjonizowany); Energia fotonu ultrafioletowego pochłoniętego przez wodór jest wystarczająca do wyrzucenia elektronu. Ponieważ atom wodoru składa się z jednego protonu i jednego elektronu, utrata elektronu pozostawia tylko proton. Kiedy proton w mgławicy odzyskuje elektron, emituje foton światła o charakterystycznej długości fali 656,3 nm (Otwiera się w nowej karcie)znany jako emisja H-II.
Protony są również niezbędne w rdzeniu słońceEnergia w postaci światła słonecznego i ciepła jest generowana przez mechanizm znany jako łańcuch proton-proton. w sercu słońca, Temperatura sięga 27 milionów stopni Fahrenheita (15 milionów stopni Celsjusza) – wystarczy Fuzja nuklearna. W tak wysokich temperaturach wszystkie atomy są zjonizowane, a ponieważ Słońce składa się głównie z wodoru, oznacza to, że jądro Słońca jest pełne protonów.
W szeregu proton-proton dwa protony, które łączą się w tych warunkach, mogą połączyć się w centrum Słońca, wytwarzając neutrina Dodatnio naładowany pozyton (tzw antymateria ekwiwalent elektronowy).
Utrata ładunku dodatniego zamienia jeden z protonów w neutralny neutron, a proton i neutron razem tworzą deuter (izotop wodoru). To jądro deuteru może połączyć się z innym protonem, tworząc hel-3 (składający się z dwóch protonów i neutronu) i emitując energię w procesie, który ostatecznie dociera do powierzchni Słońca w postaci promieniowania, które widzimy jako światło i odczuwamy jako ciepło .
W międzyczasie jądro helu-3 może połączyć się z innym jądrem helu-3 utworzonym w tym samym procesie, tworząc hel-4 (2 protony, 2 neutrony) i emitując jeszcze dwa protony. Te inne protony mogą dalej tworzyć więcej helu-3 i tak dalej w reakcji łańcuchowej, uwalniając w tym procesie więcej energii. Słońce ma wystarczająco dużo jąder wodoru, aby nadal to robić przez kolejne 5 miliardów lat.
(Otwiera się w nowej karcie)
The wiatr słonecznyczyli przepływ naładowanych cząstek wypływających z słoneczna atmosfera, obejmuje liczne protony wraz z elektronami i różnymi jądrami atomowymi. Kiedy wiatr słoneczny uderza w atmosferę planetarną, taką jak atmosfera ZiemiaJazda na protonach i elektronach linie pola magnetycznego W kierunku biegunów planety atomy i cząsteczki na niej oddziałują i jonizują Atmosfera. Te atomy i cząsteczki następnie świecą, powodując zorzę polarną Światła północne i południowe.
Czasem do środka wpada słońce Rozbłysk słonecznyco często prowadzi do uruchomienia programu Koronalny wyrzut masy. Te gwałtowne rozbłyski słoneczne mogą przyspieszać protony do wysokich energii. Owe „cząsteczki aktywne na słońcu” są wypychane do ok prędkość światła Oddalając się od słońca, stwarzają zagrożenie promieniowaniem dla astronautów i pasażerów samolotów latających na dużych wysokościach.
Są też wysokoenergetyczne protony (i cząstki alfa) pochodzące spoza naszego sąsiedztwa Układ Słoneczny. te „promieniowanie kosmiczne„pakiet ponczowy, poruszający się z prędkością mniejszą niż prędkość światła, ale jego źródło pozostaje zaskakującą tajemnicą. Oczywiście jest przyspieszany przez silne pola magnetyczne. Głównymi podejrzanymi są m.in. aktywne jądra galaktyczne i Czarna dziura środowiska, które go zawierają. zamiast, Supernowa Pozostałości i gęste obszary formowania się gwiazd zostały również zaproponowane jako miejsca pochodzenia tych pocisków cząsteczkowych, które skierowały nas w naszą stronę.
Śledź Keitha Coopera na Twitterze @21stCenturySETI. Śledź nas na Twitterze @ćwierkać (Otwiera się w nowej karcie) i dalej Facebook (Otwiera się w nowej karcie).
Dodatkowe źródła
Dowiedz się więcej o złożoności protonu z tego artykułu Magazyn Quanta (Otwiera się w nowej karcie). Dowiedz się, w jaki sposób współczesne pomiary zawęziły rozmiar protonu Esej o naturze (Otwiera się w nowej karcie). Przeczytaj więcej o protonach i dowiedz się więcej o syntezie jądrowej za pomocą pomocnych diagramów w tym artykule z Uniwersytet w Warwick. (Otwiera się w nowej karcie)
indeks
Fizyka cząstek elementarnych, Brian R. Martin (2011, One World Publications)
Collins Online Associated Dictionary of Physics (2007, Collins)
„Certyfikowany guru kulinarny. Internetowy maniak. Miłośnik bekonu. Miłośnik telewizji. Zapalony pisarz. Gracz.”
More Stories
Firma zajmująca się planowaniem powierzchni handlowych CADS postrzega technologię jako odpowiedź na Święta Wielkanocne i inne sezonowe wyzwania w 2024 r. — Retail Technology Innovation Hub
Astronomowie odkryli, że woda unosi się w części przestrzeni, która tworzy planetę
Tęskniłam za nim bardzo długo! Satelita NASA i martwy rosyjski statek kosmiczny zbliżają się do siebie na swojej orbicie