Nejlepší odpověď
Hmotnost atomu prvku je součtem hmotnosti všech protonů a hmotnosti všech neutronů Hmotnost elektrony jsou zanedbatelné
V atomu vodíku je jediný proton a jedna volba a není zde žádný neutron.
Takže hmotnost atomu vodíku = hmotnost jednoho protonu + hmotnost jeden elektron
Všechny ostatní prvky mají více protonů a neutronů než vodík.
Proto je vodík nejlehčím prvkem v periodické tabulce.
Odpověď
Atomy jsou malé. Opravdu, opravdu malý. Pravděpodobně jste slyšeli, že hmota se skládá ze svazků těchto drobných věcí. Pravděpodobně také víte, že je nevidíte pouhým okem. Bylo nám řečeno, abychom věřili myšlence, že atomy tam jsou, vzájemně reagují a jsou stavebními kameny pro náš svět.
Pro většinu lidí to však není dost dobré. Věda se pyšní tím, jak využívá skutečná pozorování k odhalení záhad vesmíru – tak jak jsme dospěli k závěru, že atomy existují, a co jsme se o těchto drobných strukturách dozvěděli?
Mohlo by se zdát jako by existoval jednoduchý způsob, jak dokázat, že atomy existují: vložte je pod mikroskop. Ale tento přístup nebude fungovat. Ve skutečnosti ani ty nejsilnější mikroskopy zaměřující se na světlo nedokážou vizualizovat jednotlivé atomy. To, co objekt zviditelňuje, je způsob, jakým odrazí vlny viditelného světla. Atomy jsou o tolik menší než vlnová délka viditelného světla, že tyto dva ve skutečnosti neinteragují. Jinými slovy, atomy jsou neviditelné pro samotné světlo. Atomy však mají pozorovatelné účinky na některé věci, které můžeme vidět.
Viditelné světlo nemůže odhalit jednotlivé atomy (kredit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Viditelné světlo nemůže odhalit jednotlivé atomy (Uznání: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Před stovkami let v roce 1785 nizozemský vědec Jan Ingenhousz studoval zvláštní fenomén, který nedokázal zcela pochopit. Minutové částice uhelného prachu vrhaly na povrch nějakého alkoholu v jeho laboratoři.
Ani ty nejsilnější mikroskopy zaměřující se na světlo nedokážou vizualizovat jednotlivé atomy.
Asi o 50 let později V roce 1827 popsal skotský botanik Robert Brown něco podivně podobného. Nechal svůj mikroskop trénovat na nějaká pylová zrna. Brown si všiml, že některá zrna uvolňovala drobné částice – které by se pak náhodným nervózním tancem vzdálily od pylového zrna.
Zpočátku Brown přemýšlel, jestli jsou částice opravdu nějakým neznámým organismem. Zopakoval experiment s dalšími látkami, jako je kamenný prach, o kterém věděl, že není naživu, a znovu viděl stejný podivný pohyb.
Trvalo by téměř další století, než věda podala vysvětlení. Einstein přišel a vyvinul matematický vzorec, který by předpovídal tento velmi konkrétní typ pohybu – tehdy nazývaného Brownův pohyb po Robertu Brownovi.
Einsteinova teorie spočívala v tom, že se částice z pylových zrn pohybovaly protože neustále narážely na miliony jemnějších molekul vody – molekul, které byly vytvořeny z atomů.
Může být překvapením, že atomy lze rozložit – zejména proto, že „atomos“ znamená „nedělitelný“
„Vysvětluje tento chvějící se pohyb, o kterém vidíte, že je ve skutečnosti způsoben dopadem jednotlivých molekul vody na částice prachu nebo cokoli jiného, co máte na tekutinu,“ vysvětluje Harry Cliff na University of Cambridge, který je také kurátorem londýnského Science Museum.
Do roku 1908 pozorování podložená výpočty potvrdila, že atomy jsou skutečné. Asi za deset let by fyzici mohli jít dál. Rozdělením jednotlivých atomů začali získávat představu o jejich vnitřní struktuře.
Může být překvapením, že atomy lze rozložit – zejména proto, že samotný název atomu pochází z řeckého výrazu „atomos“ , což znamená „nedělitelný“. Fyzici však nyní vědí, že atomy nejsou pevné malé kuličky. Je lepší si je představit jako malé elektrické „planetární“ systémy. Obvykle se skládají ze tří hlavních částí: protony, neutrony a elektrony. Představte si protony a neutrony, které společně tvoří „slunce“ neboli jádro ve středu systému. Elektrony obíhají kolem tohoto jádra, podobně jako planety.
Atomy jsou tvořeny menšími částicemi (Credit: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Atomy jsou tvořeny menšími částicemi (Credit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Pokud jsou atomy neuvěřitelně malé, jsou tyto subatomární částice ještě více. Kupodivu, první objevená částice byla ve skutečnosti nejmenší ze tří – elektron.
Abychom získali představu o rozdílu velikostí, protony v jádře jsou ve skutečnosti asi 1 830krát větší než elektrony . Představte si malý mramor obíhající kolem horkovzdušného balónu – o takovém rozporu, o kterém tu mluvíme.
Je to jeden z prvních urychlovačů částic.
Jak ale víme, že tyto částice tam jsou? Odpověď je, protože i když jsou malé, mohou mít velký dopad. Britský fyzik, který objevil elektrony, JJ Thomson, použil v roce 1897 obzvláště poutavou metodu k prokázání své existence.
Jeho speciální zařízení se jmenovalo Crookesova trubice – legrační tvar skla, z něhož téměř veškerý vzduch byl nasáván strojem. Poté byl na jeden konec trubice aplikován záporný elektrický náboj. Tento náboj stačil k odstranění zbývajících molekul plynu v trubici některých jejich elektronů. Elektrony jsou záporně nabité, takže letěly trubicí dolů na druhý konec. Díky částečnému vakuu byly tyto elektrony schopny vystřelit trubicí, aniž by jim do cesty přišly nějaké velké atomy.
Elektrický náboj způsobil, že se elektrony pohybovaly opravdu velmi rychle – kolem 59 500 kilometrů za sekundu (59 500 kilometrů) za sekundu) – dokud nerozbili sklo na vzdáleném konci a nezaklepali do ještě více elektronů spojených s tamními atomy. Kolize mezi těmito neuvěřitelně malými částicemi překvapivě generovaly tolik energie, že vytvořily fantastickou zelenožlutou záři.
Crookesova trubice s maltským kovem ve tvaru kříže (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Crookesova trubice s maltským kovem ve tvaru kříže (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
„Je to svým způsobem jeden z prvních urychlovačů částic,“ říká Cliff. „Je to zrychlující elektrony z jednoho konce trubice na druhý a dopadají na obrazovku na druhém konci a dodávají tuto fosforeskující záři.“
Objev elektronu naznačil, že o atomech je třeba se dozvědět více
Protože Thomson zjistil, že dokáže ve skutečnosti řídit paprsky elektronů pomocí magnetů a elektrických polí, věděl, že to nejsou jen podivné paprsky světla – musely to být nabité částice.
A pokud vás zajímá, jak by tyto elektrony mohly létat nezávisle na svých atomech, je to kvůli procesu zvanému ionizace, při kterém – v tomto případě – elektrický náboj mění strukturu atomu vytlačením těchto elektronů do prostoru kolem.
Ve skutečnosti je to proto, že s elektrony se manipuluje a pohybuje se tak snadno, že jsou možné i elektrické obvody. Elektrony v měděném drátu cestují vlakovým pohybem z jednoho atomu mědi na druhý – a právě ten přenáší náboj drátem na druhý konec. Atomy, opět stojí za zmínku, nejsou pevné malé kousky hmoty, ale systémy, které mohou být modifikovány nebo procházet strukturálními změnami.
Žárovky žhnou kvůli toku elektronů (Credit: Feng Yu / Alamy Stock Foto)
Žárovky žhnou kvůli toku elektronů (Credit: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Ale objev elektronu naznačil, že o atomech je třeba se dozvědět více. Thomsonova práce odhalila, že elektrony jsou záporně nabité – ale věděl, že samotné atomy nemají žádný celkový náboj. Usoudil, že musí obsahovat záhadné kladně nabité částice, aby zrušily záporně nabité elektrony.
Ukázal existenci hustého jádra v atomu.
Experimenty na začátku 20. století Století identifikovalo tyto kladně nabité částice a současně odhalilo vnitřní strukturu podobnou sluneční soustavě atomu.
Ernest Rutherford a jeho kolegové vzali velmi tenkou kovovou fólii a vložili ji pod paprsek kladně nabitého záření – proud malých částic. Většina silného záření proplula přímo skrz, přesně tak, jak si to Rutherford myslel, vzhledem k tomu, jak tenká byla fólie. Ale překvapivě se některé z nich odrazily zpět.
Rutherford usoudil, že atomy v kovové fólii musí obsahovat malé, husté oblasti s kladným nábojem – nic jiného by nemělo potenciál odrážet záření na tak silný stupeň. Našel kladné náboje v atomu – a současně dokázal, že jsou všechny spojeny dohromady v pevné hmotě takovým způsobem, že elektrony nejsou. Jinými slovy, demonstroval existenci hustého jádra v atomu.
Cambridge fyzik James Chadwick se zoufale snažil objevit neutron.
Stále však existoval problém. Nyní by bylo možné odhadnout hmotnost atomů. Ale vzhledem k tomu, co se vědělo o tom, jak těžká by měla být částice v jádru, neměla myšlenka, že jsou všechny kladně nabité, smysl.
„Uhlík má šest elektronů, a tedy šest protonů v jádře – šest kladných nábojů a šest záporných nábojů, “vysvětluje Cliff. „Ale jádro uhlíku neváží šest protonů, váží [ekvivalent] 12 protonů.“
Brzy se předpokládalo, že dalších šest jaderných částic bude mít stejnou hmotnost jako protony, ale budou neutrálně nabité: neutrony. Ale nikdo to nedokázal. Ve skutečnosti byly neutrony objeveny až ve 30. letech.
Všechno kolem nás je vyrobeno z atomů (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Vše kolem nás je vyrobeno z atomů (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Cambridge fyzik James Chadwick se zoufale snažil objevit neutron. Na teorii pracoval roky. V roce 1932 dosáhl průlomu.
Ve třicátých letech jsme toho o atomech zjistili hodně, ale nikdo nevytvořil přímý obraz jednoho z nich.
O několik let dříve, jiní fyzici experimentovali s radiací. Vystřelili kladně nabité záření – stejný druh, jaký použil Rutherford k objevení jádra – na atomy berylia. Berýlium odstartovalo vlastní záření: záření, které nebylo ani kladně, ani záporně nabité a které mohlo proniknout daleko skrz materiál.
V této době již ostatní zjistili, že gama záření je neutrální a hluboce proniká , takže fyzici předpokládali, že právě toto uvolňují atomy berylia. Ale Chadwick o tom nebyl přesvědčen.
Některé nové záření vygeneroval sám a namířil je na látku, o které věděl, že je bohatá na protony. Protony byly neočekávaně vyhozeny do vzduchu pryč od materiálu, jako by byly zasaženy částicemi se stejnou hmotou – jako kulečníkové koule zasažené jinými kulečníkovými koulemi.
Gama záření nemůže protony vychylovat. tímto způsobem, takže si Chadwick uvědomil, že dotyčné částice zde musí mít stejnou hmotnost jako proton, ale postrádají jeho elektrický náboj: byly to neutrony.
Byly přijaty všechny klíčové kousky atomu, ale příběh tím nekončí.
Můžete dokonce zjistit, jak atomy vypadají, když se do nich strčíte
Ačkoli jsme o atomech zjistili mnohem víc, než jsme měli dříve, oni bylo stále obtížné si to představit. A zpět ve 30. letech nikdo nevytvořil přímý obraz jednoho – což je to, co by mnoho lidí chtělo vidět, aby skutečně přijalo, že tam jsou.
Je však důležité techniky, které , které používali vědci jako Thomson, Rutherford a Chadwick, by připravilo půdu pro nové vybavení, které by nám nakonec pomohlo tyto obrazy vyrobit. Paprsky elektronů, které Thomson generoval ve svém experimentu s Crookesovou trubicí, se ukázaly jako obzvláště užitečné.
Dnes jsou podobné paprsky generovány elektronovými mikroskopy a nejsilnější z těchto mikroskopů může ve skutečnosti vytvářet obrazy jednotlivých atomů. Je to proto, že elektronový paprsek může mít vlnovou délku tisíckrát kratší než světelný paprsek – tak krátký, ve skutečnosti, že elektronové vlny mohou být odkloněny malými atomy, aby generovaly obraz způsobem, který světelné paprsky nemohou.
Neal Skipper z University College London říká, že takové snímky jsou užitečné pro lidi, kteří chtějí studovat atomovou strukturu speciálních látek – například těch, které se používají k výrobě baterií pro elektromobily. Čím více víme o jejich atomové struktuře, tím lépe je můžeme navrhnout, aby byly efektivní a spolehlivé.
Mikroskopy pro atomovou sílu nám mohou ukázat jednotlivé atomy (Credit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Mikroskopy pro atomovou sílu nám mohou ukázat jednotlivé atomy (Credit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Můžete dokonce zjistit, jak atomy vypadají, a to tak, že do nich budete strkat. Takto v podstatě funguje mikroskopie atomových sil.
V kapalině, jak ji zahříváte, můžete vidět, že atomy mají více neuspořádaných konfigurací.
Myšlenkou je přinést špičku extrémně malá sonda blízko povrchu molekuly nebo povrchu materiálu. V tak blízkých čtvrtích bude sonda citlivá na chemickou strukturu všeho, na co ukazuje, a změna odporu, jak se pohybuje napříč, umožňuje vědcům vytvářet snímky toho, jak vypadá například jednotlivá molekula.
V poslední době vědci pomocí této metody publikovali nádherné snímky molekuly před a po chemické reakci.
Skipper dodává, že spousta atomových výzkumů dnes zkoumá, jak se mění struktura věcí, když je vysoký tlak nebo extrémní teplota. Většina lidí ví, že když se materiál zahřívá, často se rozpíná. Nyní je možné detekovat atomové změny, ke kterým dochází, což to umožňuje.
„V kapalině, jak ji zahříváte, můžete vidět, že atomy mají více neuspořádaných konfigurací,“ říká Skipper. „Vidíte to přímo ze strukturní mapy.“
Kapitán a další fyzici mohou také pracovat na atomech pomocí neutronových paprsků, které Chadwick poprvé identifikoval ve 30. letech.
Můžete identifikovat atomy samotnou detekcí energie gama paprsků
„Hodně děláme, že pálíme paprsky neutronů na kusy materiálu a podle rozptylového vzoru, který se objeví, můžete zjistit, že jste rozptylovali neutrony z jádro, “říká. „Můžete vypočítat hmotu a hrubou velikost objektu, který rozptyl prováděl.“
Ale atomy tam ne vždy jen tak sedí, klidně stabilní a čekají na vyšetření. Někdy se rozpadají – což znamená, že jsou radioaktivní.
Existuje spousta přirozeně se vyskytujících radioaktivních prvků. Tento proces generuje energii, která tvoří základ jaderné energie – a jaderných bomb. Výzkum jaderných fyziků obecně zahrnuje snahu lépe porozumět reakcím, při nichž jádro prochází zásadními změnami, jako jsou tyto.
Atomy uranu se mohou rozdělit na dva (Uznání: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Atomy uranu se mohou rozdělit na dva (Uznání: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan z University of Liverpool se specializuje na studium gama paprsků – druh záření emitovaného rozpadem atomy. Radioaktivní atom daného typu generuje specifickou formu gama záření. To znamená, že atomy můžete identifikovat pouze detekcí energie gama paprsků – a to je přesně to, co ve své laboratoři dělá Harkness-Brennanová.
Neuvědomili jsme si, jaké atomy jsou, uvědomili jsme si že se jedná o úžasně složité struktury.
„Typy detektorů, které byste použili, jsou detektory, které vám umožňují měřit jak přítomnost záření, tak také energii záření, které se ukládá,“ říká, „A to proto, že všechna jádra mají charakteristický otisk prstu.“
Protože v oblasti, kde je detekováno záření, mohou být přítomny nejrůznější atomy, zejména po nějaké velké jaderné reakci, je důležité přesně vědět, které radioaktivní izotopy jsou přítomny. Tento druh detekce se běžně provádí v jaderných elektrárnách nebo v oblastech, kde došlo k jaderným katastrofám.
Harkness-Brennanová a její kolegové nyní pracují na detekčních systémech, které lze na takových místech zřídit a ukázat , ve třech rozměrech, kde může být záření přítomno v konkrétní místnosti. „To, co chceš udělat, je mít techniky a nástroje, které ti umožní zobrazit trojrozměrný prostor a říct ti v té místnosti, v tom potrubí, kde je záření,“ říká.
Vzhledem k tomu jak malý je atom, je úžasné, kolik fyziky z toho dokážeme dostat.
Je také možné vizualizovat záření v „oblačné komoře“. Jedná se o speciální experiment, při kterém se alkoholová pára ochlazená na -40 ° C unáší v oblaku kolem radioaktivního zdroje. Nabité částice záření odlétající od zdroje odstraňují elektrony z molekul alkoholu. Tím se alkohol kondenzuje na kapalinu kolem dráhy emitovaných částic. Výsledky tohoto typu detekce jsou opravdu ohromující.
Ještě jsme nezjistili, co jsou to atomy, uvědomili jsme si, že se jedná o úžasně složité struktury, které mohou projít úžasnými změnami – z nichž mnohé se vyskytují přirozeně. A studiem atomů tímto způsobem jsme byli schopni vylepšit naše technologie, využít energii jaderných reakcí a lépe porozumět přirozenému světu kolem nás. Také jsme byli schopni lépe se chránit před zářením a zjistit, jak se materiály mění, když jsou umístěny v extrémních podmínkách.
Harkness-Brennan to vystihuje dobře: „Vzhledem k tomu, jak malý je atom, je úžasné, kolik fyziky máme může se z toho dostat. “
Všechno, co kolem sebe vidíme, je vyrobeno z těchto maličkostí. Je dobré vědět, že jsou tam dole, takže je to všechno možné.