Jak policzyć liczbę protonów w atomie?

Pytanie

Pyta Paweł

W jaki sposób policzono liczbę protonów w pierwiastkach chemicznych składających się na tablicę Mendelejewa Przecież jest to wartość nie dająca się zmierzyć fizycznie, a kilkaset lat temu potrafiono się z tym uporać.

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Kilkaset lat to pewna przesada. Dokładnie 150 lat temu Mendelejew odkrył prawo okresowości, tj. zależność własności chemicznych pierwiastków od ich masy atomowej. Nie znano jednak wówczas uzasadnienia tego faktu. Uzasadnienie pojawiło się wraz ze zrozumieniem w latach 1897-1909, że atom zbudowany jest z dodatnio naładowanego jądra i krążących wokół niego elektronów. Własności chemiczne zależą od ilości elektronów, a ładunek elektryczny jądra (dodatni) oraz łączny ładunek elektronów (ujemny) sumują się do zera. Zatem własności chemiczne danego pierwiastka umożliwiają wywnioskowanie, jaki jest ładunek elektryczny jądra odpowiedniego atomu.

W atomie wodoru występuje tylko jeden elektron, a jego jądro nazywamy protonem. Elektryczna neutralność tego atomu oznacza, że ładunek protonu równy jest (co do modułu) ładunkowi elektronu. Inne jądra zbudowane są z protonów i elektrycznie neutralnych neutronów (te ostatnie odkryto w 1932). Zatem ilość protonów musi być równa ilości elektronów, czyli można ją wyznaczyć z własności chemicznych.

Protonów w jądrze rzeczywiście nie jesteśmy w stanie policzyć palcem, ale nie zgodziłbym się ze stwierdzeniem, że ich ilość nie da się zmierzyć fizycznie. Praktycznie każdy pomiar fizyczny oparty jest na pewnej teorii. W tym przypadku teoria (zweryfikowana doświadczeniem) mówi, że ładunek elektryczny jądra pochodzi wyłącznie od protonów. Ładunek elektryczny pojedynczego jądra potrafimy również wyznaczyć nie korzystając z własności chemicznych odpowiedniego pierwiastka – np. cząstki $\alpha$ (jądra helu) emitowane przez pierwiastki promieniotwórcze możemy obserwować przy pomocy komory Wilsona skonstruowanej po raz pierwszy w roku 1900. Ich trajektorie w polu magnetycznym zakrzywiają się w sposób zależny od stosunku ładunku do masy. Znając masę cząstki $\alpha$ możemy więc wyznaczyć jej ładunek elektryczny.