Legjobb válasz
Az elem atomjának tömege az összes proton és az összes neutron tömegének összege az elektronok elhanyagolhatók
A hidrogénatomban egyetlen proton és egyetlen választás van, és nincs neutron
Tehát a hidrogénatom tömege = egy proton tömege + a egy elektron
Az összes többi elemnek több protont és neutronja van, mint a hidrogéné
Ezért a hidrogén a periódusos rendszer legkönnyebb eleme.
Válasz
Az atomok kicsik. Nagyon, nagyon kicsi. Valószínűleg hallotta, hogy az anyag ezekből az apró dolgokból álló kötegekből áll. Valószínűleg azt is tudja, hogy szabad szemmel nem láthatja őket. Azt mondják, hogy vegyük fel a bizalmat abban az elképzelésben, hogy az atomok léteznek, kölcsönhatásban állnak egymással, és építőelemek a világunk számára.
Ez azonban a legtöbb ember számára nem elég jó. A tudomány büszke arra, ahogyan valós megfigyeléseket használ az univerzum rejtelmeinek kidolgozásához – akkor hogyan jutottunk arra a következtetésre, hogy atomok léteznek, és mit tanultunk ezekről az apró szerkezetekről?
Úgy tűnhet mintha egy egyszerű módszer létezne az atomok létezésének bizonyítására: tegye őket mikroszkóp alá. De ez a megközelítés nem fog működni. Valójában a legerősebb fény-fókuszáló mikroszkópok sem képesek egyetlen atomot megjeleníteni. A tárgy láthatóvá teszi azt, ahogyan a látható fényhullámokat eltereli. Az atomok annyira kisebbek, mint a látható fény hullámhossza, hogy a kettő valójában nem lép kölcsönhatásba. Másképp fogalmazva, az atomok láthatatlanok a fény számára. Az atomoknak azonban megfigyelhető hatása van néhány dologra, amelyet láthatunk.
A látható fény nem fedheti fel az egyes atomokat (Hitel: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
A látható fény nem fedheti fel egyes atomok (Hitel: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Több száz évvel ezelőtt, 1785-ben, Jan Ingenhousz holland tudós furcsa jelenséget tanulmányozott, amelynek nem volt igazán értelme. A laboratóriumban néhány szén felületén apró szénporszemek csapongtak.
Még a legerősebb fényfókuszáló mikroszkópok sem képesek egyes vizualizációkat megjeleníteni.
Körülbelül 50 évvel később , 1827-ben Robert Brown skót botanikus valami furcsán hasonlót írt le. Mikroszkópját néhány virágporra képezték ki. Brown észrevette, hogy néhány szemcséből apró részecskék szabadulnak fel – amelyek aztán véletlenszerűen ideges táncban eltávolodnak a pollenszemtől.
Brown eleinte arra gondolt, hogy a részecskék valóban valamiféle ismeretlen organizmusok-e. Megismételte a kísérletet más anyagokkal, például a sziklaporral, amelyről tudta, hogy nem él, és ugyanezt a furcsa mozgást látta megint.
Szinte egy évszázad kell ahhoz, hogy a tudomány magyarázatot adjon. Einstein jött, és kifejlesztett egy matematikai képletet, amely megjósolta ezt a sajátos mozgástípust – Robert Brown után az akkori Brown-mozgást.
Einstein elmélete szerint a pollenszemcsék részecskéit mozgatták mert folyamatosan millióbb ónmolekulájú vízmolekulává törtek össze – atomokból álló molekulákká.
Meglepő lehet, hogy az atomok lebonthatók – főleg, hogy az „atomos” jelentése „oszthatatlan”
„Megmagyarázza ezt a kócos mozgást, amelyet ön szerint valóban az egyes vízmolekulák porszemcsékre gyakorolt hatása vagy bármi, amit a folyadékára tettél” – magyarázza Harry Cliff a A Cambridge-i Egyetem, aki a londoni Science Museum kurátora is.
1908-ra a számításokkal alátámasztott megfigyelések megerősítették, hogy az atomok valódiak. Körülbelül egy évtizeden belül a fizikusok tovább tudnak menni. Az egyes atomok széthúzásával elkezdték megérteni belső szerkezetüket.
Meglepő lehet, hogy az atomok lebonthatók – főleg, hogy már az atom neve is egy görög „atomom” kifejezésből származik. , ami azt jelenti, hogy „oszthatatlan”. De a fizikusok most már tudják, hogy az atomok nem szilárd kis gömbök. Jobb, ha apró elektromos, „bolygó” rendszerekként gondolunk rájuk. Jellemzően három fő részből állnak: protonok, neutronok és elektronok. Gondoljon arra, hogy a protonok és a neutronok együtt alkotnak egy „napot” vagy egy magot a rendszer középpontjában. Az elektronok a mag körül keringenek, akárcsak a bolygók.
Az atomok kisebb részecskékből állnak (Credit: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Az atomok kisebb részecskékből állnak (Credit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Ha az atomok lehetetlenül kicsiek, akkor ezek a szubatomi részecskék még inkább. Nagyszerű módon az első felfedezett részecske valójában a három közül a legkisebb volt – az elektron. . Képzeljen el egy kis márványt, amely egy hőlégballon körül kering – ez az a fajta eltérés, amiről itt beszélünk.
Ez egyike az első részecskegyorsítóknak.
De honnan tudjuk, hogy ezek a részecskék vannak? A válasz az, hogy bár aprók, de nagy hatással lehetnek. Az elektronokat felfedező brit fizikus, JJ Thomson, különösen figyelemfelkeltő módszerrel bizonyította létezésüket 1897-ben.
Speciális eszközét Crookes-csőnek hívták – vicces alakú üvegdarabnak, amelyből majdnem az összes levegőt egy gép szívta. Ezután negatív elektromos töltést vezettek a cső egyik végére. Ez a töltés elegendő volt néhány elektronuk csövében lévő megmaradt gázmolekulák eltávolításához. Az elektronok negatív töltésűek, ezért repültek a csövön a másik vége felé. A részleges vákuumnak köszönhetően ezek az elektronok képesek voltak a csövön keresztül lőni anélkül, hogy nagy atomok állnának az útjukba.
Az elektromos töltés miatt az elektronok nagyon gyorsan mozogtak – körülbelül 37 000 mérföld / másodperc (59 500 kilométer) másodpercenként) – amíg be nem törtek a túlsó végén lévő üvegbe, és még több elektronba kopogtak be az ott található atomokkal. Bámulatos, hogy ezek az észbontóan apró részecskék ütközései annyi energiát generáltak, hogy fantasztikus zöld-sárga fényt keltettek.
Egy Crookes cső máltai kereszt alakú fémmel (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Crookes cső máltai kereszt alakú fémmel (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
“Ez egyfajta első részecskegyorsító.” – mondja Cliff. “Ez gyorsítja az elektronokat a cső egyik végéből a másikba, és a másik végén ütik a képernyőt, és ezt a foszforeszkáló ragyogást keltik.”
Az elektron felfedezése azt sugallta, hogy többet kellene megismerni az atomokról
Mivel Thomson úgy találta, hogy mágnesekkel és elektromos mezőkkel valóban képes irányítani az elektronnyalábokat, tudta, hogy ezek nem csak furcsa fénysugarak, hanem részecskéket is fel kell tölteniük.
És ha arra kíváncsi, hogy ezek az elektronok miként repülhetnek az atomjaiktól függetlenül, az egy ionizációnak nevezett folyamatnak köszönhető, amelyben – ebben az esetben – egy elektromos töltés megváltoztatja az atom szerkezetét azáltal, hogy ezeket az elektronokat kiszorítja a körülötte lévő térbe.
Valójában azért van, mert az elektronok olyan könnyen kezelhetők és mozgathatóak, hogy elektromos áramkörök lehetségesek. A rézhuzalban lévő elektronok vonatszerű mozgásban haladnak az egyik rézatomtól a másikig – és ez az, amely a vezetéken keresztül továbbítja a töltést a másik végéig. Az atomok, érdemes még egyszer megjegyezni, nem szilárd apró anyagdarabok, hanem olyan rendszerek, amelyek módosulhatnak vagy strukturális változásokon mennek keresztül.
Az izzók az elektronáramlás miatt ragyognak (Credit: Feng Yu / Alamy Stock Fotó)
Az izzók az elektronáramlás miatt ragyognak (Credit: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
De az elektron felfedezése azt sugallta, hogy többet kell megismerni az atomokról. Thomson munkájából kiderült, hogy az elektronok negatív töltésűek – de tudta, hogy maguknak az atomoknak nincs teljes töltésük. Úgy vélte, hogy titokzatos pozitív töltésű részecskéknek kell tartalmazniuk a negatív töltésű elektronok kiiktatásához.
Kimutatta, hogy az atomon belül sűrű mag létezik.
Kísérletek a 20. század elején A Century azonosította ezeket a pozitív töltésű részecskéket, és egyúttal feltárta az atom naprendszer-szerű belső szerkezetét.
Ernest Rutherford és munkatársai nagyon vékony fémfóliát vettek, és pozitív töltésű sugárnyaláb alá helyezték – egy kis részecskék folyama. Az erőteljes sugárzás zöme pontosan átrepült, éppen úgy, ahogy Rutherford gondolta, mivel a fólia vékony volt. De meglepő módon némelyikük visszapattant.
Rutherford úgy vélekedett, hogy a fémfólia atomjainak kicsi, sűrű, pozitív töltésű területeket kell tartalmazniuk – semmi más nem lenne képes a sugárzást ilyen erősen visszaverni. fokozat. Megtalálta a pozitív töltéseket az atomban – és egyszerre bebizonyította, hogy mindannyian szűk tömegben vannak összekötve, úgy, ahogy az elektronok nem. Más szavakkal, bebizonyította, hogy az atomon belül sűrű mag létezik.
James Chadwick cambridge-i fizikus kétségbeesetten fedezte fel a neutron
Azonban még mindig volt probléma. Mostanra az atomok tömegét meg lehetett becsülni. De tekintettel arra, hogy milyen tudnivalók voltak arról, hogy egy részecskének milyen nehéznek kell lennie a magban, nem volt értelme annak az elképzelésnek, hogy mindannyian pozitív töltésűek legyenek.
„A szénnek hat elektronja van, ezért hat protonja van a magban – hat pozitív és hat negatív töltés ”- magyarázza Cliff. „De a szénatom nem hat protont mér, hanem 12 proton súlya.”
Korán azt gondolták, hogy a másik hat magrészecske tömege megegyezik a protonokkal, de semleges töltésű: neutronok. De ezt senki sem tudta bizonyítani. Valójában a neutronokat csak az 1930-as években fedezték fel.
Minden körülöttünk atomokból készül (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Minden körülöttünk atomokból készül (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
James Chadwick cambridge-i fizikus kétségbeesetten fedezte fel a neutront. Évek óta dolgozott az elmélettel. 1932-ben áttörést hajtott végre.
Az 1930-as években sokat kitaláltunk az atomokról, de senki nem készített közvetlen képet róla.
Néhány évvel korábban, más fizikusok kísérleteztek sugárzással. Pozitív töltésű sugárzást hajtottak végre – ugyanazt a fajtát, amelyet Rutherford használt a mag felfedezéséhez – a berillium atomokba. A berillium elrúgta a saját sugárzását: olyan sugárzást, amely nem volt sem pozitív, sem negatív töltésű, és amely messze behatolhat az anyagon keresztül.
Ekkorra mások már megállapították, hogy a gammasugárzás semleges és mélyen behatoló. , tehát a fizikusok azt feltételezték, hogy a berillium atomok ezt engedik szabadon. De Chadwick nem volt meggyőződve róla.
Ő maga generálta az új sugárzás egy részét, és egy olyan anyagra irányította, amelyről tudta, hogy protonokban gazdag. Váratlanul a protonokat az anyagtól távol a levegőbe verték, mintha ugyanolyan tömegű részecskék ütköztek volna hozzájuk, mint például a snooker golyók, amelyeket a többi snooker golyó eltalált.
A gammasugárzás nem tudja elhárítani a protonokat. így Chadwick rájött, hogy a szóban forgó részecskék tömegének meg kell egyeznie a protonnal, de nincs elektromos töltése: neutronok voltak.
Az atom összes kulcsfontosságú részét kitalálták, de a A történet nem áll meg itt.
Akár azt is megtudhatja, hogy néznek ki az atomok, ha rájuk bökött
Bár sokkal többet találtunk ki az atomokról, mint korábban voltunk, ők még mindig nehéz volt elképzelni. És még az 1930-as években senki sem készített közvetlen képet róla – ezt sokan szeretnék látni, hogy valóban elfogadják, hogy ott vannak.
Fontos azonban, hogy azok a technikák, amelyek olyan tudósok használták, mint Thomson, Rutherford és Chadwick, ez új utak előtt nyitna utat, amelyek végül segítenek nekünk a képek elkészítésében. Thomson Crookes-cső kísérletében generált elektronnyalábjai különösen hasznosnak bizonyultak.
Ma hasonló sugárzást generálnak elektronmikroszkópok, és ezek közül a legerősebb mikroszkópok képesek létrehozni az egyes atomok képeit. Ennek oka, hogy az elektronnyaláb hullámhossza ezerszer rövidebb lehet, mint egy fénysugár – valójában olyan rövid, hogy az elektronhullámokat apró atomok terelhetik el, hogy képet hozzanak létre úgy, hogy a fénysugarak ne.
Neal Skipper, a University College London szerint ezek a képek hasznosak azok számára, akik speciális anyagok atomi szerkezetét szeretnék tanulmányozni – például elektromos autók akkumulátorainak gyártásához. Minél többet tudunk az atomszerkezetükről, annál jobban megtervezhetjük őket, hogy hatékonyak és megbízhatóbbak legyenek.
Az atomi erő mikroszkópok megmutathatják az egyes atomokat (Credit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Az atomerőmikroszkópok megmutathatnak nekünk egyes atomokat (Credit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Azt is megtudhatja, hogy néznek ki az atomok, ha rájuk bökött. Lényegében így működik az atomerő mikroszkópia.
Egy folyadékban, miközben felmelegíti, láthatja, hogy az atomok rendezetlenebb konfigurációjúak.
Az ötlet az, hogy hozzák a csúcsot rendkívül kis szonda a molekula vagy az anyag felületéhez közel. Ilyen közeli helyeken a szonda érzékeny lesz a kémiai szerkezetre, bármennyire is mutat rá, és az ellenállás változása, ahogy halad rajta, lehetővé teszi a tudósok számára, hogy képeket készítsenek arról, hogy például hogyan néz ki egy adott molekula.
A közelmúltban a kutatók csodálatos képeket tettek közzé egy molekuláról egy kémiai reakció előtt és után, ezzel a módszerrel.
Skipper hozzáteszi, hogy manapság sok atomkutatás feltárja, hogyan változik a dolgok szerkezete nagy nyomás alatt. vagy extrém hőmérsékletet alkalmazunk. A legtöbb ember tudja, hogy ha egy anyagot melegítenek, gyakran kitágul. Most már észlelni lehet a bekövetkező atomváltozásokat, amelyek ezt lehetővé teszik.
“Egy folyadékban, miközben felmelegszik, láthatja, hogy az atomok konfigurációja rendezetlenebb” – mondja Skipper. „Ezt közvetlenül a szerkezeti térképen láthatja.”
A kapitány és más fizikusok az atomokon is dolgozhatnak a neutronnyalábokkal, amelyeket Chadwick az 1930-as években azonosított.
Azonosítani lehet atomok önmagában a gammasugarak energiájának detektálásával.
„Sokat teszünk, ha neutronnyalábokat lőünk ki anyagcsomókra, és a felbukkanó szórási mintázatból kiderül, hogy a neutronokat mag – mondja. „Kiszámíthatja a szórást végző tárgy tömegét és durva méretét.”
De az atomok nem mindig csak ott ülnek, nyugodtan stabilan, és megvizsgálásra várnak. Néha romlanak – ami azt jelenti, hogy radioaktívak.
Nagyon sok természetes előfordulású radioaktív elem található. A folyamat energiát termel, amely az atomenergia – és az atombombák – alapját képezi. Az atomfizikusok kutatásai általában olyan reakciók jobb megértését foglalják magukban, amelyekben a mag ilyen alapvető változásokon megy keresztül.
Az uránatomok kettéválhatnak (Hitel: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Fotó)
Az uránatomok kettéválhatnak (Hitel: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Fotó)
Laura Harkness-Brennan, a Liverpooli Egyetem gamma-sugarainak – a bomlás által kibocsátott sugárzás – vizsgálatára specializálódott. atomok. Egy adott típusú radioaktív atom a gammasugár egy meghatározott formáját generálja. Ez azt jelenti, hogy az atomokat csak a gammasugarak energiájának detektálásával lehet azonosítani – és Harkness-Brennan pontosan ezt teszi a laboratóriumában.
Nem csak azt dolgoztuk ki, hogy mi az atom, hanem rájöttünk. hogy csodálatosan bonyolult szerkezetek.
“Az általunk használt detektorok olyan detektorok, amelyek lehetővé teszik mind a sugárzás jelenlétének, mind a lerakódó sugárzás energiájának mérését” – mondja. “És ez azért van, mert az atommagoknak mindegyiküknek jellegzetes ujjlenyomata van.”
Mivel mindenféle atom lehet jelen egy olyan területen, ahol sugárzást észlelnek, különösen valamilyen nagy nukleáris reakció után, fontos pontosan tudja, hogy mely radioaktív izotópok vannak jelen. Ez a fajta észlelés általában atomerőművekben, vagy olyan területeken történik, ahol atomkatasztrófa történt.
Harkness-Brennan és munkatársai most olyan észlelési rendszereken dolgoznak, amelyek ilyen helyeken felállíthatók, hogy megmutassák. , három dimenzióban, ahol sugárzás jelen lehet egy adott helyiségben. “Amit meg akar tenni, az az, hogy rendelkezzen olyan technikákkal és eszközökkel, amelyek lehetővé teszik, hogy háromdimenziós teret jelenítsen meg, és elmondja neked abban a helyiségben, abban a csőben, ott van a sugárzás” – mondja.
Adva milyen kicsi az atom, elképesztő, hogy mennyi fizikát tudunk kihozni belőle
A sugárzást „felhőkamrában” is meg lehet jeleníteni. Ez egy speciális kísérlet, amelynek során -40 ° C-ra hűtött alkoholgőz felhőben sodródik egy radioaktív forrás körül. A sugárzás feltöltött részecskéi, amelyek a forrástól távol repülnek, eltávolítják az elektronokat az alkoholmolekulákból. Ezáltal az alkohol folyadékká kondenzálódik a kibocsátott részecske útja körül. Az ilyen típusú detektálás eredményei valóban meglehetősen lenyűgözőek.
Nem csak azt dolgoztuk ki, hogy mi az atom, hanem rájöttünk, hogy ezek csodálatosan összetett struktúrák, amelyek csodálatos változásokon mehetnek keresztül – amelyek közül sok előfordul természetesen. Az atomok ilyen tanulmányozásával pedig javítani tudtuk technológiáinkat, kiaknázni a nukleáris reakciók energiáját és jobban megérteni a körülöttünk lévő természeti világot. Jobban megvédhettük magunkat a sugárzástól, és felfedezhettük, hogyan változnak az anyagok extrém körülmények között.
Harkness-Brennan jól megfogalmazza: „Tekintettel arra, hogy milyen kicsi az atom, elképesztő, hogy mennyi fizikai fizikát kijuthat belőle. ”
Minden, amit körülöttünk láthatunk, ezekből az apróságokból áll. Jó tudni, hogy odalent vannak, és mindezt lehetővé teszik.