Paras vastaus
Elementin atomin massa on kaikkien protonien ja kaikkien neutronien massan summa elektronit ovat merkityksettömiä.
Vetyatomissa on yksi protoni ja yksi vaali eikä neutronia ole.
Joten vetyatomin massa = yhden protonin massa + yksi elektroni
Kaikilla muilla alkuaineilla on enemmän protoneja ja neutronit kuin vedyllä
Siksi vety on jaksollisen järjestelmän kevyin elementti.
Vastaus
Atomit ovat pieniä. Todella, todella pieni. Olet todennäköisesti kuullut, että asia on tehty näiden pienten esineiden nippuista. Tiedät todennäköisesti myös, että et näe niitä paljaalla silmällä. Meitä käsketään ottamaan luottamus ajatukseen siitä, että atomit ovat olemassa, vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja muodostavat rakennuspalikoita maailmallemme.
Useimmille ihmisille se ei kuitenkaan riitä. Tiede on ylpeä siitä, miten se käyttää todellisia havaintoja selvittääkseen maailmankaikkeuden mysteerejä – niin miten päädyimme siihen tulokseen, että atomeja on olemassa, ja mitä olemme oppineet näistä pienistä rakenteista?
Saattaa tuntua ikään kuin olisi yksinkertainen tapa todistaa atomien olemassaolo: laita ne mikroskoopin alle. Mutta tämä lähestymistapa ei toimi. Itse asiassa edes tehokkaimmat valoa tarkentavat mikroskoopit eivät pysty visualisoimaan yksittäisiä atomeja. Kohteen tekee näkyväksi tapa, jolla se ohjaa näkyviä valoaaltoja. Atomit ovat niin paljon pienempiä kuin näkyvän valon aallonpituus, että nämä kaksi eivät todellakaan ole vuorovaikutuksessa. Toisin sanoen, atomit ovat näkymättömiä itse valolle. Atomeilla on kuitenkin havaittavia vaikutuksia joihinkin asioihin, jotka voimme nähdä.
Näkyvä valo ei voi paljastaa yksittäisiä atomeja (Luotto: Yevgen Lyashko / Alamy-arkistokuva)
Näkyvä valo ei voi paljastaa yksittäisiä atomeja (Luotto: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Satoja vuosia sitten vuonna 1785 hollantilainen tutkija Jan Ingenhousz tutki outoa ilmiötä, jota hän ei voinut täysin ymmärtää. Hienoja hiukkapölyhiukkasia heilui jonkin verran alkoholin pinnalla laboratoriossaan.
Jopa tehokkaimmat valoa tarkentavat mikroskoopit eivät pysty visualisoimaan yksittäisiä atomeja.
Noin 50 vuotta myöhemmin , vuonna 1827, skotlantilainen kasvitieteilijä Robert Brown kuvaili jotain utelias samanlaista. Hänellä oli mikroskooppi koulutettu joihinkin siitepölyjyviin. Brown huomasi, että jotkut jyvät vapauttivat pieniä hiukkasia – jotka sitten siirtyisivät pois siitepölyjyvästä satunnaisessa jittertanssissa.
Aluksi Brown mietti, olivatko hiukkaset todella jonkinlainen tuntematon organismi. Hän toisti kokeen muiden aineiden, kuten kivipölyn, kanssa, jonka hän tiesi olevan elossa, ja näki saman outon liikkeen uudelleen.
Kestää melkein toisen vuosisadan, ennen kuin tiede tarjoaa selityksen. Einstein tuli mukaan ja kehitti matemaattisen kaavan, joka ennustaisi tämän erityisen liiketyypin – jota silloin kutsuttiin Brownin liikkeeksi Robert Brownin mukaan.
Einsteinin teoria oli, että siitepölyhiukkasten hiukkasia siirrettiin ympäriinsä. koska ne kaatuvat jatkuvasti miljooniin pienempiin vesimolekyyleihin – atomien molekyyleihin.
Voi olla yllätys, että atomit voidaan hajottaa – varsinkin kun ”atomos” tarkoittaa ”jakamatonta”
”Hän selittää tämän jiggling-liikkeen, jonka näet olevan tosiasiallisesti aiheutunut yksittäisten vesimolekyylien vaikutuksesta pölyhiukkasiin tai mihin tahansa, mitä olet saanut nesteellesi”, kertoo Harry Cliff Cambridgen yliopisto, joka on myös kuraattori Lontoon tiedemuseossa.
Vuoteen 1908 mennessä laskelmilla tuetut havainnot olivat vahvistaneet atomien todellisuuden. Noin vuosikymmenen kuluessa fyysikot voisivat mennä pidemmälle. Vetämällä yksittäisiä atomeja he alkoivat saada käsityksen sisäisestä rakenteestaan.
Voi olla yllätys, että atomit voidaan hajottaa – varsinkin kun nimen atomin nimi on peräisin kreikkalaisesta termistä ”atomos”. , mikä tarkoittaa ”jakamaton”. Mutta fyysikot tietävät nyt, että atomit eivät ole kiinteitä pieniä palloja. On parempi ajatella niitä pieninä sähköisinä, ”planeettojen” järjestelminä. Ne koostuvat tyypillisesti kolmesta pääosasta: protonit, neutronit ja elektronit. Ajattele, että protonit ja neutronit muodostavat yhdessä ”auringon” eli ytimen järjestelmän keskelle. Elektronit kiertävät tätä ydintä, kuten planeetat.
Atomit koostuvat pienemmistä hiukkasista (Luotto: Science Photo Library / Alamy -kuvavalokuva)
Atomit koostuvat pienemmistä hiukkasista (Credit : Tiedekuvakirjasto / Alamy-arkistokuva)
Jos atomit ovat mahdottoman pieniä, nämä subatomiset hiukkaset ovat sitäkin suurempia. Hauskasti, ensimmäinen löydetty hiukkanen oli itse asiassa pienin kolmesta – elektroni.
Saadaksesi käsityksen tässä olevasta koon erosta, ytimen protonit ovat itse asiassa noin 1830 kertaa suurempia kuin elektronit . Kuvittele pieni marmori, joka kiertää kuumailmapalloa – se on sellainen ristiriita, josta puhumme täällä.
Se on tavallaan yksi ensimmäisistä hiukkaskiihdyttimistä.
Mutta mistä tiedämme, että niitä on? Vastaus on, koska vaikka ne ovatkin pieniä, niillä voi olla suuri vaikutus. Elektroneja löytänyt brittiläinen fyysikko JJ Thomson käytti erityisen huomiota herättävää menetelmää todistaakseen heidän olemassaolonsa vuonna 1897.
Hänen erikoislaitteitaan kutsuttiin Crookes-putkeksi – hauska muotoinen lasikappale, josta lähes kone imi kaiken ilman. Sitten putken toiseen päähän kohdistettiin negatiivinen sähkövaraus. Tämä varaus riitti riisumaan joidenkin elektronien putkessa olevat jäljellä olevat kaasumolekyylit. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita, joten ne lentivät putkea pitkin toista päätä kohti. Osittaisen tyhjiön ansiosta nämä elektronit pystyivät ampumaan putken läpi ilman, että isot atomit pääsivät heidän tielleen.
Sähkövaraus sai elektronit liikkumaan todella nopeasti – noin 37500 mailia sekunnissa (59500 kilometriä) sekunnissa) – kunnes ne törmäsivät lasiin kaukana, koputtamalla vielä useampaan elektroniin, jotka liittyvät siellä oleviin atomiin. Hämmästyttävää, että törmäämättä näihin hämmentävän pieniin hiukkasiin syntyi niin paljon energiaa, että se loi upean vihreän-keltaisen hehkun.
Crookes-putki, jossa on maltalaista ristikkäistä metallia (Luotto: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Crookes-putki, jossa on maltalaista ristikkäistä metallia (luotto: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
”Se on tavallaan yksi ensimmäisistä hiukkaskiihdyttimistä”, Cliff sanoo. ”Se kiihdyttää elektroneja putken toisesta päästä toiseen ja ne iskeytyvät näyttöön toisessa päässä ja antavat tälle fosforoivalle hehkulle.”
Elektronin löytö viittasi siihen, että atomista oli opittavaa enemmän
Koska Thomson huomasi voivansa todella ohjata elektronisuihkuja magneeteilla ja sähkökentillä, hän tiesi, että ne eivät olleet vain outoja valonsäteitä – niiden täytyi olla varautuneita hiukkasia.
Ja jos mietit, kuinka nämä elektronit voisivat lentää ympäriinsä atomista riippumatta, se johtuu ionisaatioprosessista, jossa – tässä tapauksessa – sähkövaraus muuttaa atomin rakennetta työntämällä nämä elektronit pois ympäröivään tilaan.
Itse asiassa se johtuu siitä, että elektroneja on niin helppo käsitellä ja siirtää ympäriinsä, että sähköiset piirit ovat mahdollisia. Kuparilangan elektronit kulkevat junan kaltaisessa liikkeessä yhdestä kupariatomista toiseen – ja se kuljettaa varauksen langan läpi toiseen päähän. Atomit, on syytä huomata jälleen, eivät ole kiinteitä pieniä aineita, vaan järjestelmät, joita voidaan muuttaa tai joihin voidaan tehdä rakenteellisia muutoksia.
Hehkulamput hehkuvat elektronivirran vuoksi (luotto: Feng Yu / Alamy Stock Kuva)
Hehkulamput hehkuvat elektronivirtauksen takia (Luotto: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Mutta elektronin löytö ehdotti, että atomista oli opittavaa enemmän. Thomsonin työ paljasti, että elektronit ovat negatiivisesti varautuneita – mutta hän tiesi, että itse atomilla ei ollut kokonaisvarausta. Hän perusteli, että niiden on sisällettävä salaperäisiä positiivisesti varautuneita hiukkasia negatiivisten varautuneiden elektronien poistamiseksi.
Hän oli osoittanut tiheän ytimen olemassaolon atomissa.
Kokeilut 20. päivän alussa Century tunnisti positiivisesti varautuneet hiukkaset ja paljasti samalla atomin aurinkokunnan kaltaisen sisäisen rakenteen.
Ernest Rutherford ja hänen kollegansa ottivat hyvin ohuen metallikalvon ja panivat sen positiivisesti varautuneen säteen alle – virta pieniä hiukkasia. Suurin osa voimakkaasta säteilystä purjehti suoraan läpi, aivan kuten Rutherford ajatteli, ottaen huomioon kuinka ohut kalvo oli. Mutta yllättäen osa siitä palautui takaisin.
Rutherford perusteli, että metallikalvon atomien on sisällettävä pieniä, tiheitä alueita, joilla on positiivinen varaus – millään muulla ei olisi mahdollisuutta heijastaa säteilyä niin voimakkaaseen tutkinto. Hän oli löytänyt positiiviset varaukset atomista – ja samanaikaisesti todistanut, että ne kaikki niputettiin yhteen tiukassa massassa tavalla, jota elektronit eivät. Toisin sanoen hän oli osoittanut tiheän ytimen olemassaolon atomissa.
Cambridgen fyysikko James Chadwick halusi epätoivoisesti löytää neutronin.
Siellä oli kuitenkin edelleen ongelma. Tähän mennessä atomien massa voitaisiin arvioida. Mutta kun tiedetään, kuinka raskas hiukkasen ytimessä tulisi olla, ajatuksella, että ne kaikki olivat positiivisesti varautuneita, ei ollut järkeä.
”Hiilessä on kuusi elektronia ja siten kuusi protonia ytimessä – kuusi positiivista ja kuusi negatiivista latausta ”, Cliff selittää. ”Mutta hiilen ydin ei painaa kuutta protonia, se painaa 12 ekvivalenttia.”
Varhain ajateltiin, että muilla kuudella ydinhiukkasella olisi sama massa kuin protoneilla, mutta ne olisivat neutraalivaraus: neutronit. Mutta kukaan ei voi todistaa tätä. Itse asiassa neutronit löydettiin vasta 1930-luvulla.
Kaikki ympärillämme on tehty atomeista (luotto: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Kaikki ympärillämme on tehty atomista (luotto: Magictorch / Alamy-valokuva)
Cambridgen fyysikko James Chadwick löysi epätoivoisesti neutronin. Hän oli työskennellyt teorian parissa vuosia. Vuonna 1932 hän teki läpimurron.
1930-luvulla olimme keksineet paljon atomista, mutta kukaan ei ollut tuottanut niistä suoraa kuvaa
Muutama vuosi aiemmin, muut fyysikot olivat kokeilleet säteilyä. He ampuivat positiivisesti varautunutta säteilyä – samanlaista kuin Rutherford oli käyttänyt ytimen löytämiseen – berylliumiatomeissa. Beryllium potkaisi oman säteilynsä: säteily, jota ei ollut positiivisesti eikä negatiivisesti varattu ja joka voi tunkeutua kauas materiaalin läpi.
Tähän mennessä muut olivat jo selvittäneet, että gammasäteily oli neutraalia ja syvälle tunkeutuvaa. , joten fyysikot olettivat, että berylliumiatomit vapauttivat tämän. Mutta Chadwick ei ollut vakuuttunut.
Hän tuotti osan uudesta säteilystä itse ja suunnasi sen aineelle, jonka hän tiesi sisältävän runsaasti protoneja. Protonit koputettiin odottamatta pois materiaalista, ikään kuin saman massan hiukkaset olisivat osuneet niihin – kuten snooker-pallot, joihin muut snooker-pallot osuivat.
Gammasäteily ei voi ohjata protoneja tällä tavalla, joten Chadwick tajusi, että kyseessä olevien hiukkasten on oltava saman massan kuin protoni, mutta niiltä puuttuu sen sähkövaraus: ne olivat neutroneja.
Kaikki atomin avainkappaleet oli selvitetty, mutta tarina ei pysähdy siihen.
Voit jopa selvittää miltä atomit näyttävät heitä työntämällä
Vaikka olimme keksineet paljon enemmän atomista kuin ennen, he oli edelleen vaikea visualisoida. Ja 1930-luvulla kukaan ei ollut tuottanut suoraa kuvaa yhdestä – minkä monet ihmiset haluaisivat nähdä voidakseen todella hyväksyä olevansa siellä.
Tärkeää on kuitenkin tekniikat, jotka Thomsonin, Rutherfordin ja Chadwickin käyttämät tutkijat tasoittavat tietä uusille laitteille, jotka lopulta auttaisivat meitä tuottamaan näitä kuvia. Thomsonin Crookes-putkikokeessaan tuottamat elektronisuihkut osoittautuivat erityisen hyödyllisiksi.
Nykyään elektronimikroskoopit tuottavat samanlaisia säteitä, ja tehokkaimmat näistä mikroskoopeista voivat todella luoda kuvia yksittäisistä atomista. Tämä johtuu siitä, että elektronisäteen aallonpituus voi olla tuhansia kertoja lyhyempi kuin valonsäde – niin lyhyt, itse asiassa, että pienet atomit voivat taipua elektroniaallot tuottamaan kuvan tavalla, jota valonsäteet eivät voi.
Neal Skipper University College Londonista sanoo, että tällaiset kuvat ovat hyödyllisiä ihmisille, jotka haluavat tutkia erityisten aineiden – esimerkiksi sähköautojen akkujen – atomirakennetta. Mitä enemmän tiedämme niiden atomirakenteesta, sitä paremmin voimme suunnitella ne tehokkaiksi ja luotettaviksi.
Atomivoimamikroskoopit voivat näyttää meille yksittäisiä atomeja (luotto: Flirtti / Alamy-valokuva)
Atomivoimamikroskoopit voivat näyttää meille yksittäisiä atomeja (luotto: Flirtti / Alamy-arkistovalokuva)
Voit jopa selvittää miltä atomit näyttävät heitä työntämällä. Tällä tavoin atomivoimamikroskopia toimii.
Nesteessä kuumennettaessa sitä voi nähdä, että atomien kokoonpanot ovat epäselvämmät.
Ajatuksena on tuoda kärki erittäin pieni koetin lähellä molekyylin pintaa tai materiaalin pintaa. Tällaisissa läheisyydessä koetin on herkkä kemialliselle rakenteelle riippumatta siitä, mihin sitä osoitetaan, ja resistanssin muutos sen liikkuessa antaa tutkijoille mahdollisuuden tuottaa kuvia siitä, miltä esimerkiksi yksittäinen molekyyli näyttää.
Äskettäin tutkijat julkaisivat upeita kuvia molekyylistä ennen ja jälkeen kemiallisen reaktion tällä menetelmällä.
Skipper lisää, että nykyään paljon atomitutkimusta tutkii, kuinka asioiden rakenne muuttuu korkean paineen alla. tai äärimmäinen lämpötila. Useimmat ihmiset tietävät, että kun materiaali kuumennetaan, se usein laajenee. Nyt on mahdollista havaita tapahtuvat atomimuutokset, jotka mahdollistavat tämän.
”Nesteessä sitä kuumennettaessa näet, että atomien kokoonpanot ovat epäselvämmät”, Skipper sanoo. ”Voit nähdä sen suoraan rakennekartasta.”
Kippari ja muut fyysikot voivat myös työskennellä atomien kanssa käyttämällä neutronisäteitä, jotka Chadwick tunnisti ensimmäisen kerran 1930-luvulla.
Voit tunnistaa atomien avulla havaitsemalla pelkästään gammasäteiden energia.
”Paljon teemme on ampua neutronisäteitä materiaalipalojen kohdalla ja näkyvän sirontakuvion perusteella voit selvittää, että siroitit neutroneja ydin ”, hän sanoo. ”Voit selvittää sironnan tekemän esineen massan ja karkean koon.”
Mutta atomit eivät aina istu vain rauhallisesti vakaasti odottaen tutkintaa. Joskus he hajoavat – mikä tarkoittaa, että ne ovat radioaktiivisia.
Luonnossa esiintyviä radioaktiivisia elementtejä on paljon. Prosessi tuottaa energiaa, joka muodostaa ydinvoiman ja ydinpommien perustan. Ydinfyysikkojen tutkimukseen kuuluu yleensä yrittää ymmärtää paremmin reaktioita, joissa ydin kokee tällaisia perustavanlaatuisia muutoksia.
Uraaniatomit voivat hajota kahteen osaan (Luotto: Peter Hermes Furian / Alamy -valokuva)
Uraaniatomit voivat jakautua kahteen osaan (luotto: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan Liverpoolin yliopistosta on erikoistunut gammasäteiden – eräänlaisen hajoamisen aiheuttaman säteilyn – tutkimukseen. atomien. Tietyn tyyppinen radioaktiivinen atomi tuottaa gammasäteen tietyn muodon. Tämä tarkoittaa, että voit tunnistaa atomit havaitsemalla pelkästään gammasäteiden energian – ja juuri tämän Harkness-Brennan tekee laboratoriossaan.
Emme ole vain selvittäneet, mitä atomit ovat, olemme ymmärtäneet. että ne ovat hämmästyttävän monimutkaisia rakenteita.
”Tunnistimet, joita käytät, ovat ilmaisimia, joiden avulla voit mitata sekä säteilyn läsnäolon että talletettavan säteilyn energian”, hän sanoo, ”Ja siksi, että kaikilla ytimillä on ominainen sormenjälki.”
Koska alueella, jolla säteily havaitaan, voi olla kaikenlaisia atomeja, varsinkin jonkinlaisen suuren ydinreaktion jälkeen, on tärkeää tietää tarkalleen mitä radioaktiivisia isotooppeja on läsnä. Tällainen havaitseminen tapahtuu yleisesti ydinvoimaloissa tai alueilla, joilla on tapahtunut ydinkatastrofeja.
Harkness-Brennan ja hänen kollegansa työskentelevät nyt havaitsemisjärjestelmien parissa, jotka voidaan perustaa tällaisiin paikkoihin. , kolmessa ulottuvuudessa, missä säteilyä saattaa esiintyä tietyssä huoneessa. ”Mitä haluat tehdä, on saada tekniikoita ja työkaluja, joiden avulla voit kuvata kolmiulotteisen tilan ja kertoa sinulle siinä huoneessa, siinä putkessa, siellä säteily on”, hän sanoo.
Koska kuinka pieni atomi on, on hämmästyttävää, kuinka paljon fysiikkaa voimme saada siitä pois.
On myös mahdollista visualisoida säteily ”pilvikammiossa”. Tämä on erityinen koe, jossa -40 ° C: seen jäähdytetty alkoholihöyry ajautuu pilvessä radioaktiivisen lähteen ympärillä. Lähteestä lentävät varautuneet säteilyhiukkaset poistavat elektronit alkoholimolekyyleistä. Tämä saa alkoholin tiivistymään nesteeksi päästetyn hiukkasen polun ympäri. Tämäntyyppisen havaitsemisen tulokset ovat todella hämmästyttäviä.
Emme ole vain selvittäneet atomeja, mutta olemme huomanneet, että ne ovat ihmeellisen monimutkaisia rakenteita, joihin voi kohdistua hämmästyttäviä muutoksia – joista monet tapahtuvat luonnollisesti. Ja tutkimalla atomeja tällä tavalla olemme pystyneet parantamaan tekniikkaamme, hyödyntämään ydinreaktioiden energiaa ja ymmärtämään paremmin ympäröivää luonnonmaailmaa. Olemme myös pystyneet suojautumaan paremmin säteilyltä ja saamaan selville, miten materiaalit muuttuvat äärimmäisissä olosuhteissa.
Harkness-Brennan sanoo sen hyvin: ”Ottaen huomioon kuinka pieni atomi on, on hämmästyttävää, kuinka paljon fysiikkaa me voi päästä siitä pois. ”
Kaikki, mitä voimme nähdä ympärillämme, on tehty näistä pienistä asioista. On hyvä tietää, että he ovat siellä, mikä tekee siitä kaiken mahdollisen.