Cara Menghitung Massa Proton

Atom adalah benda misterius, muncul dalam berbagai cara yang tidak berhubungan dalam bahasa sehari-hari. Bahkan jika Anda bukan ahli kimia, Anda mungkin tahu bahwa atom adalah bagian yang sangat kecil dari materi dan bahwa semua materi terdiri dari setidaknya satu jenis atom.

"Atomik" sebagai kata sifat dalam kimia dan fisika adalah literal, mengacu pada properti entitas yang disebut atom. Dalam konteks biasa, terima kasih hampir semata-mata untuk peristiwa dalam Perang Dunia kedua, itu berarti "meledak", yang menyesatkan.

Di samping semantik, atom menarik karena, meskipun sangat kecil, mereka terdiri dari hal-hal yang lebih kecil lagi (disebut partikel subatom). Hingga akhir abad ke-20, belum diketahui secara pasti apakah ketiga subatom utama ini partikel (proton, neutron, dan elektron) sendiri dapat dipisahkan menjadi struktur diskrit elemen. Peringatan spoiler: Mereka bisa.

Itu proton sangat menarik bagi fisikawan dan kimiawan fisika karena sejumlah alasan. Ini adalah salah satu dari dua struktur subatomik yang dikenal sebagai nukleon, dan itu adalah salah satu yang membawa muatan listrik positif, kontras dengan pendampingnya yang berukuran sama di pusat atom.

Sementara itu, elektron, meskipun kecil dan sangat jauh dari inti dalam kaitannya dengan ukuran atom, mengalami interaksi gaya dengan proton juga. Bersiaplah untuk mempelajari tentang berbagai fitur pembeda dari entitas fundamental ini.

Anda mungkin sudah akrab dengan atom secara umum, tetapi bukanlah ide yang buruk untuk memiliki hal-hal penting di depan pikiran Anda ketika Anda mulai menjelajahi bagian-bagiannya secara lebih rinci.

Pada 2020, ada 118 elemen yang diketahui, atau "varietas" atom individu. Setiap atom memiliki satu hingga 118 proton, yang juga merupakan nomor atom pada tabel periodik unsur dan nomor yang menentukan identitas unsur. Semua unsur selain hidrogen juga termasuk neutron, yang massanya sangat dekat dengan proton. Jumlah neutron sama atau mendekati jumlah proton, dengan variasi elemen ini dikenal sebagai isotop.

Massa proton dan neutron atom merupakan hampir semua massa atom, karena jenis partikel subatomik ketiga hanya memiliki sekitar 1/1.800 massa proton atau neutron.

Tapi partikel yang disebut elektron sangat penting untuk organisasi tabel periodik, karena itu adalah jumlah dan pengaturan muatan negatif ini partikel yang memberikan elemen individu sifat ikatan mereka, yaitu, cara mereka terhubung (atau gagal terhubung) ke yang lain atom.

Proton dan neutron dikemas bersama dalam nukleus, dengan jumlah total partikel ini berkisar dari 1 hingga lebih dari 200 untuk elemen terberat. Menariknya, nukleus tidak bertambah banyak ukurannya ketika lebih banyak proton dan neutron ditambahkan, tetapi atom secara keseluruhan melakukannya.

Ini karena elektron, yang jumlahnya identik dengan proton, terletak jauh di luar nukleus dalam "awan probabilitas" sesuai dengan energi, dan ukurannya bertambah dengan nomor atom bahkan ketika nukleus tetap dekat dengan yang sama ukuran.

Proton duduk di inti atom dan dapat dianggap sebagai bola untuk tujuan konseptual. Hal yang sama berlaku untuk neutron, dan jika Anda membuat model tiga dimensi dari atom sederhana, Anda dapat memilih bola berwarna berbeda tetapi berukuran sama untuk proton dan neutron.

Massa proton sekitar 1,67 × 10^–27 kilogram (kg). Itu dari neutron sangat sedikit lebih besar, sekitar 1,69 × 10^–27 kg, dan elektron adalah 9,11 × 10^–31 kg. Juga, massa proton diberikan 1 satuan massa atom (sma) untuk kenyamanan. Unit ini juga digunakan untuk partikel subatomik lainnya; massa elektron dalam amu (satuan massa atom) adalah 0,00055.

Muatan proton disebut "plus satu", atau +1, dalam kaitannya dengan partikel fisik lainnya, karena itu adalah pernah percaya bahwa proton (dan elektron) mewakili unit terkecil dari muatan apa pun di alam dapat memiliki. Besarnya nilai ini (positif untuk proton, negatif untuk elektron, sehingga partikel-partikel ini tertarik satu sama lain oleh gaya elektrostatik) adalah 1,6 × 10–19 C.

Perlu dicatat, hanya untuk menghargai karya fisikawan dan kimiawan, bahwa proton untuk waktu yang lama tidak dianggap menunjukkan pembusukan (artinya mereka pada dasarnya ada "selamanya" setelah terbentuk), diyakini memiliki waktu paruh sekitar 10³² ke 10³³ tahun. Mengingat usia alam semesta itu sendiri adalah sekitar 1,4 × 10¹⁰ tahun, melihat peluruhan proton secara radioaktif akan menjadi prestasi tingkat lotere!

Proton, sekecil apapun, juga terdiri dari blok bangunan mereka sendiri. Baik proton dan neutron, pada kenyataannya, terdiri dari tiga partikel individu yang mewakili jenis quark (lebih lanjut tentang itu segera). Baik proton maupun neutron terdiri dari beberapa kombinasi tiga quark "naik" dan quark "turun". Tetapi jika proton memiliki muatan +1, dan neutron bersifat netral, bagaimana ini bisa terjadi?

Jawabannya terletak pada kenyataan bahwa muatan "satuan" atau "dasar" +1 ternyata dapat dibagi, bagaimanapun juga, setidaknya dalam keadaan khusus quark. Jika sebuah proton terdiri dari 2 quark atas dan 1 quark bawah sedangkan neutron memiliki 1 quark atas dan 2 quark bawah, pemberian muatan +(2/3) ke quark atas dan –(2/3) pada quark bawah menyelesaikan masalah.

• Ada enam quark yang diketahui seluruhnya: atas, bawah, atas, bawah, pesona dan aneh. (Ilmuwan terkadang memiliki konvensi penamaan yang aneh).
  

Proton dan neutron dianggap baryon, kelas partikel terberat yang dilempar bersama dari quark. Bersama meson, mereka termasuk dalam kelompok partikel yang dikenal sebagai hadron, yang tunduk pada gaya nuklir kuat atau "lem" yang menyatukan proton dan neutron.

Sementara menjumlahkan muatan quark yang membentuk proton memberikan total muatan proton +1, tidak sesederhana itu jika menyangkut momentum sudut, properti yang terkait dengan "putaran".

Sebuah proton tidak benar-benar berputar seperti yang dilakukan Bumi di sekitar porosnya, tetapi "berputar" adalah cara yang baik untuk membayangkan sifat intrinsik, atau built-in, sudut. momentum proton (diberikan nilai 1/2), yang terutama berasal dari interaksi antara quark dan partikel yang disebut lepton yang juga membentuk subatom tertentu partikel.

Hal yang menarik tentang spin proton adalah bahwa fisikawan sampai pada nilai yang benar (1/2) untuk yang salah alasan, tetapi di abad ke-21 telah mampu menyelaraskan ide-ide teoretis lama dengan eksperimental hasil.

Massa proton harus lebih kecil dari itu; menjumlahkan massa masing-masing quark memberikan hasil hanya sekitar 9 persen dari massa proton terukur 1,67 × 10^–27 kg. Apa yang terjadi untuk menambahkan massa tanpa menambahkan materi?

Pada tahun 2018, sekelompok fisikawan menggunakan teknik yang muncul dan kompleks secara matematis yang disebut kromodinamika kuantum (QCD), atau lebih tepatnya kisi QCD, untuk menentukan massa proton menggunakan cara tidak standar. Seperti halnya spin proton, hasil ini menggembirakan, menawarkan wawasan tentang dari mana massa proton "berasal."

• Massa untuk partikel subatom sering diberikan dalam elektron-volt, atau eV.