Dari atom ke inti: seberapa kecil sesuatu itu?

Sebuah atom sebagian besar adalah ruang kosong di sekitar pusat yang sangat kecil. Untuk membahas pusat itu, kita memerlukan satuan baru.

• Atom yang umum berukuran sekitar 10⁻¹⁰ m dari satu sisi ke sisi lainnya. Itu adalah 0,1 nanometer, atau satu ångström.
• Sebuah nukleus berukuran sekitar 10⁻¹⁵ m hingga 10⁻¹⁴ m dari satu sisi ke sisi lainnya. Satuan untuk skala ini adalah femtometer (fm): 1 fm = 10⁻¹⁵ m. Sebuah proton berukuran sedikit di bawah 2 fm, sedangkan nukleus besar seperti timbal berukuran kira-kira 14 fm.

Jadi, nukleus lebih kecil daripada atom dengan faktor kira-kira 10⁴ hingga 10⁵. Dengan kata lain, rasio ukuran nukleus terhadap ukuran atom adalah sekitar 10⁻⁵. Jika kamu memperbesar nukleus hingga seukuran kacang polong (sekitar 1 cm), atomnya akan berukuran antara 100 m dan 1 km. Itu bisa berupa lapangan sepak bola hingga kota kecil, dengan kacang polong di tengahnya.

Hampir semua massa berada di dalam nukleus. Sebuah proton dan neutron masing-masing memiliki massa sekitar 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Elektron sekitar 1.836 kali lebih ringan. Jika seluruh atom dijumlahkan, nukleus membawa lebih dari 99,9 persen massanya, meskipun hanya mengisi sekitar 10⁻¹⁵ volumenya (sepersejuta dari sepermiliar).

Itu membuat materi nuklir sangat rapat: kira-kira 2 × 10¹⁷ kg per meter kubik. Materi sebanyak volume kubus gula (1 cm³) akan memiliki massa sekitar 200 juta ton. Kamu tidak akan pernah menjumpai benda seperti itu dalam jumlah besar di Bumi, tetapi nukleus di dalam setiap atom terbuat dari materi ini. (Bintang neutron adalah versi skala besar dari materi ini.)

Bagaimana kita tahu? Pada 1909, Hans Geiger dan Ernest Marsden, yang bekerja di laboratorium Ernest Rutherford, menembakkan partikel alfa (inti helium yang cepat dan bermuatan positif) ke lembaran foil emas yang sangat tipis. Gambaran yang populer saat itu, yaitu "puding prem" J. J. Thomson, menyatakan bahwa muatan positif tersebar di seluruh atom. Jadi, setiap partikel alfa seharusnya melaju menembusnya dengan hanya sedikit dorongan.

Namun, yang mereka lihat:

• Hampir semua partikel alfa melaju lurus menembusnya.
• Sebagian kecil sekali dibelokkan dengan sudut besar, dan beberapa bahkan hampir memantul lurus kembali.

Pada 1911, Rutherford menyimpulkan arti hasil itu: hampir semua muatan positif dan massa pasti berada di dalam inti yang kecil dan padat, sementara bagian atom lainnya kosong. Rutherford kemudian menggambarkan pantulan besar itu sebagai sesuatu yang hampir sama sulit dipercaya seperti menembakkan peluru meriam besar ke kertas tisu lalu peluru itu kembali ke arahmu. Ia menyebut inti tersebut nukleus.