สสารประกอบด้วยองค์ประกอบ แต่ทำไมทุกสิ่งรอบตัวเราจึงแตกต่างกันมาก? คำตอบเกี่ยวข้องกับอนุภาคขนาดเล็ก พวกมันถูกเรียกว่าโปรตอน อนุภาคมูลฐานเหล่านี้มีประจุบวกต่างจากอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ อนุภาคเหล่านี้คืออะไรและทำงานอย่างไร
โปรตอนทุกที่
อนุภาคมูลฐานใดมีประจุบวก? ทุกสิ่งที่สามารถสัมผัส มองเห็น และสัมผัสได้นั้นประกอบด้วยอะตอม ซึ่งเป็นหน่วยการสร้างที่เล็กที่สุดที่ประกอบเป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ พวกมันเล็กเกินกว่าจะมองให้ละเอียดถี่ถ้วน แต่มันประกอบขึ้นเป็นคอมพิวเตอร์ของคุณ น้ำดื่มที่คุณดื่ม และแม้แต่อากาศที่คุณหายใจ อะตอมมีหลายประเภท รวมทั้งออกซิเจน ไนโตรเจน และเหล็ก แต่ละประเภทเหล่านี้เรียกว่าองค์ประกอบ
บางส่วนเป็นก๊าซ (ออกซิเจน) องค์ประกอบนิกเกิลเป็นสีเงิน มีคนอื่นลักษณะที่แยกอนุภาคเล็กๆ เหล่านี้ออกจากกัน อะไรที่ทำให้องค์ประกอบเหล่านี้แตกต่างออกไป? คำตอบนั้นง่าย: อะตอมของพวกมันมีจำนวนโปรตอนต่างกัน อนุภาคมูลฐานนี้มีประจุบวกและตั้งอยู่ภายในศูนย์กลางของอะตอม
อะตอมทั้งหมดมีเอกลักษณ์
อะตอมมีความคล้ายคลึงกันมาก แต่จำนวนโปรตอนที่แตกต่างกันทำให้พวกเขาเป็นธาตุชนิดพิเศษ ตัวอย่างเช่น อะตอมออกซิเจนมี 8 โปรตอน อะตอมของไฮโดรเจนมีเพียง 1 อะตอม และอะตอมสีทองมี 79 อะตอม คุณสามารถบอกอะไรได้มากมายเกี่ยวกับอะตอมเพียงแค่นับโปรตอนของอะตอม อนุภาคมูลฐานเหล่านี้ตั้งอยู่ในนิวเคลียสเอง เดิมทีคิดว่าเป็นอนุภาคพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม จากการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้พบว่าโปรตอนประกอบด้วยส่วนผสมที่มีขนาดเล็กกว่าที่เรียกว่าควาร์ก
โปรตอนคืออะไร
อนุภาคมูลฐานใดมีประจุบวก? นี่คือโปรตอน นี่คือชื่อของอนุภาคย่อยที่อยู่ในนิวเคลียสของทุกอะตอม อันที่จริงจำนวนโปรตอนในแต่ละอะตอมเป็นเลขอะตอม จนกระทั่งเมื่อไม่นานนี้ถือว่าเป็นอนุภาคพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีใหม่ได้นำไปสู่การค้นพบว่าโปรตอนประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าควาร์ก ควาร์กเป็นอนุภาคพื้นฐานของสสารที่เพิ่งค้นพบเมื่อไม่นานมานี้
โปรตอนมาจากไหน
อนุภาคมูลฐานที่มีประจุบวกเรียกว่าโปรตอน องค์ประกอบเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้จากการปรากฏของนิวตรอนที่ไม่เสถียร หลังจากนั้นประมาณ 900 วินาที นิวตรอนที่กระเด้งออกจากนิวเคลียสจะสลายตัวเป็นอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ของอะตอม: โปรตอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโน
โปรตอนอิสระนั้นไม่เหมือนกับนิวตรอน เมื่อโปรตอนอิสระมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน พวกมันจะก่อตัวเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน ดวงอาทิตย์ของเราก็เหมือนกับดาวฤกษ์อื่นๆ ในจักรวาล ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน โปรตอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่เล็กที่สุดที่มีประจุ +1 อิเล็กตรอนมีประจุ -1 ในขณะที่นิวตรอนไม่มีประจุเลย
อนุภาคของอะตอม: ตำแหน่งและประจุ
ธาตุมีลักษณะเฉพาะตามโครงสร้างอะตอม ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานย่อย ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน สองกลุ่มแรกตั้งอยู่ในนิวเคลียส (ศูนย์กลาง) ของอะตอมและมีมวลเท่ากับหนึ่งมวลอะตอม อิเล็กตรอนตั้งอยู่นอกนิวเคลียสในโซนที่เรียกว่า "เปลือก" พวกเขาแทบจะไม่มีน้ำหนักเลย เมื่อคำนวณมวลอะตอม จะให้ความสนใจเฉพาะโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้น มวลของอะตอมเป็นผลรวมของอะตอม
เมื่อสรุปมวลอะตอมของอะตอมทั้งหมดในโมเลกุลแล้ว เราสามารถประมาณมวลโมเลกุลซึ่งแสดงเป็นหน่วยของมวลอะตอม (เรียกว่าดัลตัน) อนุภาคหนักแต่ละตัว (นิวตรอน โปรตอน) มีน้ำหนักหนึ่งมวลอะตอม ดังนั้นอะตอมฮีเลียม (He) ซึ่งมีโปรตอน 2 ตัว นิวตรอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว มีน้ำหนักประมาณ 4 หน่วยมวลอะตอม (โปรตอน 2 ตัวบวก 2 นิวตรอน) นอกจากตำแหน่งและมวลแล้ว อนุภาคย่อยแต่ละอะตอมยังมีคุณสมบัติที่เรียกว่า "ประจุ" อาจเป็น "บวก" หรือ "เชิงลบ" ก็ได้
ธาตุที่มีประจุเท่ากันมักจะสะท้อนซึ่งกันและกัน ในขณะที่วัตถุที่มีประจุตรงข้ามกันมักจะดึงดูดกัน อนุภาคมูลฐานใดมีประจุบวก นี่คือโปรตอน นิวตรอนไม่มีประจุเลย ซึ่งทำให้นิวเคลียสมีประจุบวกโดยรวม อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีประจุลบซึ่งมีความแข็งแรงเท่ากับประจุบวกของโปรตอน อิเล็กตรอนและโปรตอนของนิวเคลียสถูกดึงดูดเข้าหากัน และนี่คือแรงที่ยึดอะตอมไว้ด้วยกัน คล้ายกับแรงโน้มถ่วงที่ทำให้ดวงจันทร์โคจรรอบโลก
อนุภาคอะตอมที่เสถียร
อนุภาคมูลฐานใดมีประจุบวก? เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า: โปรตอน นอกจากนี้ยังมีขนาดเท่ากับประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม มวลของมันที่อยู่นิ่งคือ 1.67262 × 10-27 กก. ซึ่งเป็น 1836 เท่าของมวลอิเล็กตรอน โปรตอนร่วมกับอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าที่เรียกว่านิวตรอน ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอมทั้งหมด ยกเว้นไฮโดรเจน แต่ละนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนดมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน เลขอะตอมของธาตุนี้กำหนดตำแหน่งในตารางธาตุ
การค้นพบโปรตอน
อนุภาคมูลฐานที่มีประจุบวกคือโปรตอน ซึ่งการค้นพบนี้มีขึ้นตั้งแต่การศึกษาโครงสร้างอะตอมที่เก่าแก่ที่สุด เมื่อศึกษาการไหลของอะตอมและโมเลกุลของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน ซึ่งอิเล็กตรอนถูกกำจัดออกไป ได้มีการกำหนดอนุภาคบวก ซึ่งมีมวลเท่ากับอะตอมของไฮโดรเจน เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1919) แสดงให้เห็นว่าไนโตรเจน เมื่อถูกโจมตีด้วยอนุภาคแอลฟา จะปล่อยไฮโดรเจนออกมา ภายในปี 1920 เขาแยกอนุภาคมูลฐานออกจากนิวเคลียสของไฮโดรเจน เรียกมันว่าโปรตอน
การวิจัยฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูงเมื่อสิ้นสุดศตวรรษที่ 20 ได้ปรับปรุงความเข้าใจเชิงโครงสร้างของธรรมชาติของโปรตอนภายในกลุ่มอนุภาคย่อย มีการแสดงให้เห็นว่าโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กกว่าและจัดเป็นแบริออน - อนุภาคที่ประกอบด้วยหน่วยพื้นฐานของสสารสามหน่วยที่เรียกว่าควาร์ก
อนุภาคอะตอม: สู่ทฤษฎีเอกภาพอันยิ่งใหญ่
อะตอมเป็นสสารชิ้นเล็กๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบเฉพาะ เชื่อกันมานานแล้วว่ามันเป็นเรื่องที่เล็กที่สุดที่สามารถดำรงอยู่ได้ แต่ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคย่อยของอะตอม และไม่ว่าธาตุใด อนุภาคย่อยของอะตอมเดียวกันก็ประกอบเป็นอะตอม จำนวนอนุภาคย่อยที่แตกต่างกันเป็นสิ่งเดียวที่เปลี่ยนแปลง
นักวิทยาศาสตร์ตระหนักดีว่ามีอนุภาคย่อยมากมาย แต่เพื่อที่จะประสบความสำเร็จในด้านเคมี คุณจะต้องจัดการกับสามปัจจัยหลักเท่านั้น: โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน สสารสามารถชาร์จด้วยไฟฟ้าด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี: บวกหรือลบ
อนุภาคมูลฐานที่มีประจุบวกเรียกว่าอะไร? คำตอบนั้นง่าย: โปรตอนคือผู้ที่มีประจุบวกหนึ่งหน่วย และเนื่องจากการมีอยู่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ อะตอมจึงเป็นกลาง บางครั้งอะตอมบางตัวสามารถรับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนและได้รับประจุ ในกรณีนี้จะเรียกว่าไอออน
อนุภาคมูลฐานของอะตอม: ระบบที่ได้รับคำสั่ง
อะตอมมีโครงสร้างที่เป็นระบบและเป็นระเบียบซึ่งให้ความเสถียรและรับผิดชอบคุณสมบัติของสสารทุกประเภท การศึกษาอนุภาคย่อยเหล่านี้เริ่มต้นเมื่อร้อยกว่าปีที่แล้ว และตอนนี้เราก็รู้มากเกี่ยวกับอนุภาคเหล่านี้แล้ว นักวิทยาศาสตร์พบว่าอะตอมส่วนใหญ่ว่างเปล่าและมี "อิเล็กตรอน" อยู่อย่างกระจัดกระจาย พวกมันคืออนุภาคแสงที่มีประจุลบซึ่งหมุนรอบส่วนที่หนักตรงกลาง ซึ่งคิดเป็น 99.99% ของมวลทั้งหมดของอะตอม การค้นหาธรรมชาติของอิเล็กตรอนนั้นง่ายกว่า แต่หลังจากการศึกษาอย่างชาญฉลาดหลายครั้ง เป็นที่รู้กันว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนบวกและนิวตรอนที่เป็นกลาง
ทุกหน่วยในจักรวาลประกอบด้วยอะตอม
กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจคุณสมบัติส่วนใหญ่ของสสารคือทุกหน่วยในจักรวาลของเราประกอบด้วยอะตอม อะตอมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมีอยู่ 92 ชนิด และก่อตัวเป็นโมเลกุล สารประกอบ และสารประเภทอื่นๆ เพื่อสร้างโลกที่ซับซ้อนรอบตัวเรา แม้ว่าชื่อ "อะตอม" นั้นมาจากคำภาษากรีก átomos ซึ่งแปลว่า "แบ่งแยกไม่ได้" แต่ฟิสิกส์สมัยใหม่ได้แสดงให้เห็นว่ามันไม่ใช่องค์ประกอบสร้างสุดท้ายของสสาร และแท้จริง "แบ่ง" เป็นอนุภาคย่อยของอะตอม สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่แท้จริงที่ประกอบเป็นโลกทั้งใบ