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Il existe trois façons de trouver la masse de protons: le calcul théorique, la masse molaire atomique et les comparaisons charge / masse avec les électrons. Utiliser la théorie pour déterminer quelle «masse de proton» «devrait être» n’est réaliste que pour les experts du domaine. Les calculs de charge / masse et masse molaire peuvent être effectués aux niveaux du premier cycle et du secondaire.
Dérivez la masse de protons des théories quantique et relativité. Les protons ont une structure interne - trois particules (quarks) maintenues ensemble par des forces attractives (gluons). Des hypothèses naïves donneraient à chaque quark 1/3 de la masse du proton. Environ 95 à 98% de la masse de protons ne provient pas de la masse des quarks. En vérité, la majeure partie de la masse de protons est dérivée de l’énergie d’interaction entre les quarks. Rappelez-vous «E = mc ^ 2» en cas de confusion sur l’expression «la masse est dérivée de l’énergie».
Calculer en sachant la masse molaire d'hydrogène. Une mole est égale à 6.022e23, tout comme une douzaine est égal à 12 ou une paire est égal à deux. Nous pouvons prendre pour acquis qu’une mole d’atomes d’hydrogène (et non de molécules «H2») pèse 1,0079 g. Chaque atome d'hydrogène contient un proton; une mole de protons pèse donc 1,0079 g. Comme chaque mole est égale à 6,022e23 unités, nous savons que 6,022e23 protons pèsent 1,0079 grammes. En divisant 1,0079 g par nombre de moles (1,0079 / 6,022e23), on obtient une masse de proton: 1,6737e-24 g.
Notez que les atomes d'hydrogène ont un électron pour équilibrer la charge de proton. Les protons sans électrons, sous forme dissoute dans une solution ou sous forme de plasma, sont très différents des atomes d'hydrogène. Puisque le calcul ne s’arrête pas là, nous pouvons ignorer l’absurdité physique de prétendre que les électrons n’existent pas.
N'oubliez pas que la méthode de calcul de la «masse molaire» peut être utilisée avec n'importe quel élément. Cependant, trois sources d'erreur se glissent. Premièrement, les protons dans les atomes d'hydrogène ne sont pas liés. Dans d'autres éléments, les protons sont liés aux neutrons. Les protons liés dans un noyau ont moins d'énergie, donc un peu moins de masse, que les protons isolés. Deuxièmement, le nombre d'électrons, et l'erreur si on les ignore, commence à s'additionner. La comptabilisation des électrons complique la tâche dans son ensemble. Enfin, les éléments les plus lourds sont radioactifs. Envisagez les chemins de désintégration, la présence d'isotopes, les demi-vies, etc. Encore une fois, le calcul est toujours possible, mais il devient plus difficile qu'il ne le faut.
Utilisez les ratios charge / masse. Cette méthode mesure la courbure des particules lors de l’entrée dans des champs électriques et magnétiques calibrés. La magnitude de la courbure indiquerait la masse du proton comparée à la masse de l'électron. L'idée expérimentale est similaire à celle d'influencer le mouvement d'une balle qui roule. Une force mécanique constante détournera légèrement une pastèque lourde (proton) du déplacement en ligne droite. La même force déviera beaucoup plus une balle de golf légère (électron).