Bedste svar
Massen af et atom af et element er summen af massen af alle protoner og massen af alle neutronerne Massen af elektronerne er ubetydelige
Der er en enkelt proton og et enkelt valg i hydrogenatom, og der er ingen neutron
Så massen af et hydrogenatom = massen af et proton + massen af en elektron
Alle de andre grundstoffer har flere protoner og neutroner end brint
Derfor er hydrogen det letteste element i det periodiske system.
Svar
Atomer er små. Virkelig, virkelig lille. Du har sandsynligvis hørt, at sagen er lavet af bundter af disse små ting. Du ved sandsynligvis også, at du ikke kan se dem med det blotte øje. Vi bliver bedt om at tage tillid til ideen om, at atomer er der, interagerer med hinanden og er byggesten for vores verden.
For de fleste er det dog ikke godt nok. Videnskaben er stolt af den måde, den bruger ægte observationer på for at udarbejde universets mysterier – så hvordan kom vi til at konkludere, at atomer eksisterer, og hvad har vi lært om disse små strukturer?
Det kan synes som om der er en enkel måde at bevise, at der findes atomer: læg dem under mikroskopet. Men denne tilgang fungerer ikke. Faktisk kan ikke selv de mest kraftfulde lysfokuserende mikroskoper visualisere enkelte atomer. Hvad der gør et objekt synligt, er den måde, det afbøjer synlige lysbølger. Atomer er så meget mindre end det synlige lyss bølgelængde, at de to ikke rigtig interagerer. For at sige det på en anden måde er atomer usynlige for at tænde sig selv. Atomer har dog observerbare virkninger på nogle af de ting, vi kan se.
Synligt lys kan ikke afsløre individuelle atomer (kredit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Synligt lys kan ikke afsløre individuelle atomer (kredit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
For hundreder af år siden i 1785 studerede den hollandske videnskabsmand Jan Ingenhousz et underligt fænomen, som han ikke helt kunne forstå. Minutepartikler af kulstøv sprang rundt på overfladen af noget alkohol i hans laboratorium.
Selv de mest kraftfulde lysfokuserende mikroskoper kan ikke visualisere enkelte atomer
Cirka 50 år senere i 1827 beskrev den skotske botaniker Robert Brown noget nysgerrigt ens. Han fik sit mikroskop trænet på nogle pollenkorn. Brown bemærkede, at nogle af kornene frigav små partikler – som derefter ville bevæge sig væk fra pollenkornet i en tilfældig nervøs dans.
Først spekulerede Brown på, om partiklerne virkelig var en slags ukendt organisme. Han gentog eksperimentet med andre stoffer som stenstøv, som han vidste ikke levede, og så den samme underlige bevægelse igen.
Det ville tage næsten et århundrede, før videnskaben gav en forklaring. Einstein kom sammen og udviklede en matematisk formel, der ville forudsige denne meget bestemte type bevægelse – dengang kaldet Brownian-bevægelse efter Robert Brown.
Einsteins teori var, at partiklerne fra pollenkornene blev flyttet rundt fordi de konstant styrtede ned i millioner af mindre vandmolekyler – molekyler, der var lavet af atomer.
Det kan komme som en overraskelse, at atomer kan nedbrydes – især da “atomos” betyder “udelelig”
“Han forklarer denne fnugende bevægelse, som du ser som faktisk er forårsaget af indvirkningen af individuelle vandmolekyler på støvpartiklerne eller hvad det end er, du har på din væske,” forklarer Harry Cliff ved University of Cambridge, som også er kurator på Londons Science Museum.
I 1908 havde observationer bakket med beregninger bekræftet, at atomer var virkelige. Inden for et årti ville fysikere være i stand til at gå længere. Ved at trække individuelle atomer fra hinanden begyndte de at få en fornemmelse af deres indre struktur.
Det kan komme som en overraskelse, at atomer kan nedbrydes – især da selve navnet atom stammer fra et græsk udtryk “atomos” , hvilket betyder “udelelig”. Men fysikere ved nu, at atomer ikke er solide små bolde. Det er bedre at tænke på dem som små elektriske, “planetariske” systemer. De består typisk af tre hoveddele: protoner, neutroner og elektroner. Tænk på protonerne og neutronerne, som sammen danner en “sol” eller kerne i centrum af systemet. Elektronerne kredser om denne kerne, ligesom planeter.
Atomer består af mindre partikler (kredit: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Atomer består af mindre partikler (kredit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Hvis atomer er umuligt små, er disse subatomære partikler endnu mere. Sjovt nok var den første partikel, der blev opdaget, faktisk den mindste af de tre – elektronen.
For at få en idé om størrelsesforskellen her er protoner i kernen faktisk omkring 1.830 gange så store som elektroner . Forestil dig en lille marmor, der kredser om en luftballon – det er den slags uoverensstemmelse, vi taler om her.
Det er en af de første partikelacceleratorer på en måde
Men hvordan ved vi, at disse partikler er der? Svaret er, at selvom de er små, kan de have stor indflydelse. Den britiske fysiker, der opdagede elektroner, JJ Thomson, brugte en særlig iøjnefaldende metode til at bevise deres eksistens i 1897.
Hans specielle enhed blev kaldt et Crookes-rør – et sjovt formet glasstykke, hvorfra næsten al luft blev suget af en maskine. Derefter blev en negativ elektrisk ladning påført den ene ende af røret. Denne ladning var nok til at fjerne de resterende gasmolekyler i røret af nogle af deres elektroner. Elektroner er negativt ladede, så de fløj ned ad røret mod den anden ende. Takket være det delvise vakuum var disse elektroner i stand til at skyde gennem røret uden at store atomer kom i vejen.
Den elektriske ladning fik elektronerne til at bevæge sig meget hurtigt – omkring 37.000 miles i sekundet (59.500 kilometer pr. sekund) – indtil de smadrede i glasset i den yderste ende og bankede ind i endnu flere elektroner forbundet med atomerne der. Utroligt nok genererede kollisionerne mellem disse forbløffende små partikler så meget energi, at det skabte en fantastisk grøn-gul glød.
Et Crookes-rør med maltesisk krydsformet metal (Kredit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Et Crookes-rør med maltesisk krydsformet metal (kredit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
“Det er en af de første partikelacceleratorer på en måde,” siger Cliff. “Det accelererer elektroner fra den ene ende af røret til den anden, og de rammer skærmen i den anden ende og giver denne fosforescerende glød.”
Opdagelsen af elektronen foreslog, at der var mere at lære om atomer
Fordi Thomson fandt ud af, at han faktisk kunne styre elektronstrålerne med magneter og elektriske felter, vidste han, at de ikke bare var underlige lysstråler – de måtte lade partikler.
Og hvis du undrer dig over, hvordan disse elektroner kunne flyve rundt uafhængigt af deres atomer, skyldes det en proces kaldet ionisering, hvor – i dette tilfælde – en elektrisk ladning ændrer atomets struktur ved at skubbe disse elektroner ud i rummet omkring.
Faktisk skyldes det, at elektroner så let manipuleres og flyttes rundt, at elektriske kredsløb er mulige. Elektroner i en kobbertråd bevæger sig i en toglignende bevægelse fra det ene kobberatom til det næste – og det er det, der fører ladningen gennem ledningen til den anden ende. Atomer, det er værd at bemærke igen, er ikke solide små stykker stof, men systemer, der kan modificeres eller undergår strukturelle ændringer.
Pærer lyser på grund af strømmen af elektroner (kredit: Feng Yu / Alamy Stock Foto)
Pærer lyser på grund af strømmen af elektroner (kredit: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Men opdagelsen af elektronen antydede, at der var mere at lære om atomer. Thomsons arbejde afslørede, at elektroner er negativt ladede – men han vidste, at atomer selv ikke havde nogen samlet ladning. Han begrundede, at de skal indeholde mystiske, positivt ladede partikler for at fjerne de negativt ladede elektroner.
Han havde demonstreret eksistensen af en tæt kerne i atomet
Eksperimenter i begyndelsen af den 20. Century identificerede disse positivt ladede partikler og afslørede samtidig atoms solsystemlignende indre struktur.
Ernest Rutherford og hans kolleger tog meget tynd metalfolie og satte den under en stråle med positivt ladet stråling – en strøm af små partikler. De fleste af den kraftige stråling sejlede lige igennem, ligesom Rutherford troede det ville, i betragtning af hvor tynd folien var. Men overraskende sprang noget af det tilbage.
Rutherford begrundede, at atomerne i metalfolien skal indeholde små, tætte områder med en positiv ladning – intet andet ville have potentialet til at reflektere strålingen til en så stærk grad. Han havde fundet de positive ladninger i atomet – og samtidig bevist, at de alle var samlet i en tæt masse på en måde, som elektroner ikke er. Med andre ord havde han demonstreret eksistensen af en tæt kerne i atomet.
Cambridge-fysiker James Chadwick var desperat efter at opdage neutronen
Der var dog stadig et problem. På nuværende tidspunkt kunne massen af atomer estimeres. Men i betragtning af hvad man vidste om, hvor tung en partikel i kernen skulle være, gav ideen om, at de alle var positivt ladede, ingen mening.
“Kulstof har seks elektroner og derfor seks protoner i kernen – seks positive ladninger og seks negative ladninger, ”forklarer Cliff. ”Men kernen af kulstof vejer ikke seks protoner, den vejer [svarende til] 12 protoner.”
Tidligt troede man, at de andre seks atompartikler ville have den samme masse som protoner, men være neutralt ladede: neutroner. Men ingen kunne bevise dette. Faktisk blev neutroner faktisk ikke opdaget før i 1930erne.
Alt omkring os er lavet af atomer (kredit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Alt omkring os er lavet af atomer (kredit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Cambridge fysiker James Chadwick var desperat efter at opdage neutronen. Han havde arbejdet med teorien i årevis. I 1932 fik han et gennembrud.
I 1930erne havde vi fundet ud af meget om atomer, men ingen havde produceret et direkte billede af et
Et par år tidligere, andre fysikere havde eksperimenteret med stråling. De affyrede positivt ladet stråling – den samme slags som Rutherford havde brugt til at opdage kernen – på berylliumatomer. Beryllium sparkede sin egen stråling ud: stråling, der hverken var positivt eller negativt ladet, og som kunne trænge langt igennem materiale.
På dette tidspunkt havde andre allerede regnet ud, at gammastråling var neutral og dybt gennemtrængende , så fysikerne antog, at dette er, hvad berylliumatomer frigiver. Men Chadwick var ikke overbevist.
Han frembragte noget af den nye stråling selv og sigtede det mod et stof, som han vidste var rig på protoner. Uventet blev protonerne banket ud i luften væk fra materialet, som om de var blevet ramt af partikler med samme masse – ligesom snookerkugler blev ramt af andre snookerkugler.
Gamma-stråling kan ikke afbøje protoner. på denne måde, så Chadwick indså, at de pågældende partikler her skal have samme masse som protonen, men mangler dens elektriske ladning: de var neutroner.
Alle nøglebitene i atom var fundet ud af, men historien stopper ikke der.
Du kan endda finde ud af, hvordan atomer ser ud ved at stikke på dem
Selvom vi havde fundet ud af meget mere om atomer, end vi havde før, de var stadig vanskelige at visualisere. Og tilbage i 1930erne havde ingen produceret et direkte billede af en – hvilket er det, som mange mennesker ønsker at se for virkelig at acceptere, at de er der.
Det er dog vigtigt, at de teknikker, der var blevet brugt af forskere som Thomson, Rutherford og Chadwick, ville bane vejen for nyt udstyr, der i sidste ende ville hjælpe os med at producere disse billeder. Elektronstrålerne, som Thomson genererede i sit Crookes-røreksperiment, viste sig at være særligt nyttige.
I dag genereres lignende stråler af elektronmikroskoper, og de mest kraftfulde af disse mikroskoper kan faktisk skabe billeder af individuelle atomer. Dette skyldes, at en elektronstråle kan have en bølgelængde tusinder af gange kortere end en lysstråle – så kort faktisk, at elektronbølger kan afbøjes af små atomer for at generere et billede på en måde, som lysstråler ikke kan.
Neal Skipper ved University College London siger, at sådanne billeder er nyttige for folk, der ønsker at studere atomarstrukturen af specielle stoffer – dem der f.eks. bruges til at fremstille batterier til elbiler. Jo mere vi ved om deres atomstruktur, jo bedre kan vi designe dem til at være effektive og pålidelige.
Atomkraftmikroskoper kan vise os individuelle atomer (kredit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Atomkraftmikroskoper kan vise os individuelle atomer (kredit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Du kan endda finde ud af, hvordan atomer ser ud ved at stikke på dem. Dette er i det væsentlige, hvordan atomkraftmikroskopi fungerer.
I en væske, når du varmer den op, kan du se atomerne har mere uordnede konfigurationer
Ideen er at bringe spidsen af en ekstremt lille sonde tæt på overfladen af et molekyle eller et materiales overflade. I så tætte omgivelser vil sonden være følsom over for den kemiske struktur, uanset hvad den peger på, og ændringen i resistens, når den bevæger sig hen over den, giver forskere mulighed for at producere billeder af, hvordan et individuelt molekyle f.eks. Ser ud.
For nylig offentliggjorde forskere vidunderlige billeder af et molekyle før og efter en kemisk reaktion ved hjælp af denne metode.
Skipper tilføjer, at en masse atomforskning i dag undersøger, hvordan tingenes struktur ændrer sig, når et højt tryk , eller ekstrem temperatur, anvendes. De fleste mennesker ved, at når et materiale opvarmes, udvides det ofte. Det er nu muligt at opdage de atomforandringer, der opstår, hvilket gør dette muligt.
“I en væske, når du varmer den op, kan du se atomerne har mere uordnede konfigurationer,” siger Skipper. “Du kan se det direkte fra det strukturelle kort.”
Skipper og andre fysikere kan også arbejde på atomer ved hjælp af de neutronstråler, der først blev identificeret af Chadwick i 1930erne.
Du kan identificere atomer ved at detektere gammastrålernes energi alene
“Det, vi gør meget, er at affyre bjælker af neutroner på klumper af materialer, og ud fra det spredningsmønster, der kommer frem, kan du finde ud af, at du spredte neutroner fra kerne, ”siger han. “Du kan finde ud af massen og den uslebne størrelse på det objekt, der spredte.”
Men atomer sidder ikke altid bare der, roligt stabile og venter på at blive undersøgt. Nogle gange forfalder de – hvilket betyder, at de er radioaktive.
Der er mange naturligt forekommende radioaktive elementer. Processen genererer energi, der danner grundlaget for kernekraft – og atombomber. Kernefysikers forskning involverer generelt forsøg på bedre at forstå reaktioner, hvor kernen gennemgår grundlæggende ændringer som disse.
Uranatomer kan opdeles i to (kredit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Uranatomer kan opdeles i to (kredit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan ved University of Liverpool har specialiseret sig i undersøgelse af gammastråler – en type stråling, der udsendes ved henfald atomer. Et radioaktivt atom af en given type genererer en bestemt form for gammastråle. Det betyder, at du kan identificere atomer ved at detektere gammastrålernes energi alene – og det er netop, hvad Harkness-Brennan gør i sit laboratorium.
Vi har ikke bare regnet ud, hvad atomer er, vi har indset at de er vidunderligt komplekse strukturer
“De typer detektorer, som du ville bruge, er detektorer, der giver dig mulighed for at måle både tilstedeværelsen af strålingen, men også energien af den stråling, der deponeres,” siger hun, “Og det er fordi kernerne alle har et karakteristisk fingeraftryk.”
Fordi der muligvis er alle mulige atomer til stede i et område, hvor der registreres stråling, især efter en stor atomreaktion af en slags, er det vigtigt at vide præcist hvilke radioaktive isotoper der er til stede. Denne form for afsløring udføres almindeligvis i atomkraftværker eller områder, hvor der har været nukleare katastrofer.
Harkness-Brennan og hendes kolleger arbejder nu på detektionssystemer, der kan oprettes på sådanne steder for at vise , i tre dimensioner, hvor stråling kan være til stede i et bestemt rum. “Hvad du vil gøre er at have teknikker og værktøjer, der giver dig mulighed for at afbilde et tredimensionelt rum og fortælle dig i det rum, i det rør, det er her strålingen er,” siger hun.
Givet hvor lille atomet er, det er forbløffende, hvor meget fysik vi kan få ud af det
Det er også muligt at visualisere stråling i et ”sky-kammer”. Dette er et specielt eksperiment, hvor alkoholdamp, afkølet til -40 ° C, driver i en sky omkring en radioaktiv kilde. Opladede strålepartikler, der flyver væk fra kilden, fjerner elektronerne fra alkoholmolekyler. Dette får alkoholen til at kondensere i væske omkring stien til den udsendte partikel. Resultaterne af denne type påvisning er virkelig ret imponerende.
Vi har ikke lige fundet ud af, hvad atomer er, vi har indset, at de er vidunderligt komplekse strukturer, der kan gennemgå fantastiske ændringer – hvoraf mange opstår naturligt. Og ved at studere atomer på denne måde har vi været i stand til at forbedre vores teknologier, udnytte energien fra nukleare reaktioner og bedre forstå den naturlige verden omkring os. Vi har også været i stand til bedre at beskytte os mod stråling og opdage, hvordan materialer ændrer sig, når de placeres under ekstreme forhold.
Harkness-Brennan formulerer det godt: ”I betragtning af hvor lille atomet er, er det forbløffende, hvor meget fysik vi har kan komme ud af det. ”
Alt, hvad vi kan se omkring os, er lavet af disse små ting. Det er godt at vide, at de er dernede, hvilket gør det hele muligt.