Migliore risposta
La massa di un atomo di un elemento è la somma totale della massa di tutti i protoni e quella di tutti i neutroni Massa di gli elettroni sono trascurabili
Cè un singolo protone e una singola elezione nellatomo di idrogeno e non cè neutrone
Quindi, massa di un atomo di idrogeno = massa di un protone + massa di un elettrone
Tutti gli altri elementi hanno un numero di protoni e neutroni maggiore di quello dellidrogeno
Lidrogeno è quindi lelemento più leggero nella tavola periodica.
Risposta
Gli atomi sono piccoli. Davvero, davvero piccolo. Probabilmente avrai sentito che la materia è fatta di fasci di queste piccole cose. Probabilmente saprai anche che non puoi vederli ad occhio nudo. Ci viene detto di fidarci dellidea che gli atomi siano presenti, interagiscano tra loro e siano elementi costitutivi del nostro mondo.
Per la maggior parte delle persone, tuttavia, non è abbastanza. La scienza è orgogliosa del modo in cui utilizza osservazioni reali per elaborare i misteri delluniverso, quindi come siamo arrivati a concludere che gli atomi esistono e cosa abbiamo imparato su queste minuscole strutture?
Potrebbe sembrare come se ci fosse un modo semplice per provare lesistenza degli atomi: metterli al microscopio. Ma questo approccio non funzionerà. In effetti, anche i più potenti microscopi a focalizzazione della luce non sono in grado di visualizzare singoli atomi. Ciò che rende visibile un oggetto è il modo in cui devia le onde luminose visibili. Gli atomi sono molto più piccoli della lunghezza donda della luce visibile che i due non interagiscono realmente. In altre parole, gli atomi sono invisibili alla luce stessa. Tuttavia, gli atomi hanno effetti osservabili su alcune delle cose che possiamo vedere.
La luce visibile non può rivelare i singoli atomi (Credito: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
La luce visibile non può rivelare singoli atomi (Credito: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Centinaia di anni fa, nel 1785, lo scienziato olandese Jan Ingenhousz stava studiando uno strano fenomeno a cui non riusciva a dare un senso. Minuscole particelle di polvere di carbone stavano sfrecciando sulla superficie di un po di alcol nel suo laboratorio.
Anche i più potenti microscopi a focalizzazione della luce non sono in grado di visualizzare i singoli atomi
Circa 50 anni dopo , nel 1827, il botanico scozzese Robert Brown descrisse qualcosa di curiosamente simile. Aveva puntato il microscopio su alcuni granelli di polline. Brown ha notato che alcuni dei grani rilasciavano minuscole particelle, che si sarebbero poi allontanate dal granulo di polline in una danza casuale e nervosa.
Allinizio, Brown si è chiesto se le particelle fossero davvero una sorta di organismo sconosciuto. Ha ripetuto lesperimento con altre sostanze come la polvere di roccia, che sapeva non essere viva, e ha visto di nuovo lo stesso strano movimento.
Ci sarebbe voluto quasi un altro secolo prima che la scienza offrisse una spiegazione. Einstein arrivò e sviluppò una formula matematica che avrebbe predetto questo tipo molto particolare di movimento, allora chiamato moto browniano, dal nome di Robert Brown.
La teoria di Einstein era che le particelle dai grani di polline venivano spostate intorno perché si schiantavano costantemente contro milioni di molecole dacqua più piccole, molecole fatte di atomi.
Potrebbe essere una sorpresa che gli atomi possano essere scomposti, soprattutto perché “atomos” significa “indivisibile”
“Spiega questo movimento oscillante che vedi come effettivamente causato dallimpatto di singole molecole dacqua sulle particelle di polvere o qualsiasi cosa tu abbia sul tuo liquido”, spiega Harry Cliff al Università di Cambridge, che è anche curatore del Museo della Scienza di Londra.
Nel 1908, osservazioni supportate da calcoli avevano confermato che gli atomi erano reali. Entro un decennio circa, i fisici sarebbero stati in grado di andare oltre. Separando i singoli atomi hanno iniziato a farsi unidea della loro struttura interna.
Potrebbe sorprendere che gli atomi possano essere scomposti, soprattutto perché il nome stesso atomo deriva dal termine greco “atomos” , che significa “indivisibile”. Ma i fisici ora sanno che gli atomi non sono palline solide. È meglio pensarli come minuscoli sistemi elettrici “planetari”. In genere sono costituiti da tre parti principali: protoni, neutroni ed elettroni. Pensa ai protoni e ai neutroni come se insieme formassero un “sole”, o nucleo, al centro del sistema. Gli elettroni orbitano attorno a questo nucleo, come i pianeti.
Gli atomi sono costituiti da particelle più piccole (Credito: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Gli atomi sono costituiti da particelle più piccole (Credito : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Se gli atomi sono incredibilmente piccoli, queste particelle subatomiche lo sono ancora di più. Stranamente, la prima particella scoperta era in realtà la più piccola delle tre: lelettrone.
Per avere unidea della differenza di dimensione qui, i protoni nel nucleo sono in realtà circa 1.830 volte più grandi degli elettroni . Immagina una piccola biglia in orbita attorno a una mongolfiera: questo è il tipo di discrepanza di cui stiamo parlando qui.
È uno dei primi acceleratori di particelle in un certo senso
Ma come facciamo a sapere che quelle particelle sono lì? La risposta è perché, sebbene minuscole, possono avere un grande impatto. Il fisico britannico che scoprì gli elettroni, JJ Thomson, utilizzò un metodo particolarmente accattivante per provare la loro esistenza nel 1897.
Il suo dispositivo speciale era chiamato tubo di Crookes, un pezzo di vetro dalla forma divertente di cui quasi tutta laria è stata aspirata da una macchina. Quindi, una carica elettrica negativa è stata applicata a unestremità del tubo. Questa carica era sufficiente per rimuovere le rimanenti molecole di gas nel tubo di alcuni dei loro elettroni. Gli elettroni sono caricati negativamente, quindi sono volati lungo il tubo verso laltra estremità. Grazie al vuoto parziale, quegli elettroni sono stati in grado di sparare attraverso il tubo senza che grandi atomi si intromettessero.
La carica elettrica ha fatto muovere gli elettroni molto velocemente – circa 37.000 miglia al secondo (59.500 chilometri al secondo) – fino a quando non si schiantarono contro il vetro allestremità opposta, colpendo ancora più elettroni associati agli atomi lì. Sorprendentemente, le collisioni tra queste minuscole particelle da capogiro hanno generato così tanta energia da creare un fantastico bagliore verde-giallo.
Un tubo di Crookes con metallo a forma di croce maltese (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Un tubo di Crookes con metallo a forma di croce maltese (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
“In un certo senso è uno dei primi acceleratori di particelle”, dice Cliff. “Sta accelerando gli elettroni da unestremità allaltra del tubo e colpiscono lo schermo allaltra estremità e danno questo bagliore fosforescente.”
La scoperta dellelettrone ha suggerito che cera altro da imparare sugli atomi
Poiché Thomson ha scoperto che poteva effettivamente dirigere i fasci di elettroni con magneti e campi elettrici, sapeva che non erano solo strani raggi di luce, dovevano essere particelle cariche.
E se ti stai chiedendo come potrebbero questi elettroni volare indipendentemente dai loro atomi, è a causa di un processo chiamato ionizzazione, in cui – in questo caso – una carica elettrica cambia la struttura dellatomo spingendo quegli elettroni nello spazio circostante.
In effetti, è perché gli elettroni sono così facilmente manipolati e spostati che i circuiti elettrici sono possibili. Gli elettroni in un filo di rame viaggiano con un movimento simile a un treno da un atomo di rame allaltro – ed è quello che trasporta la carica attraverso il filo fino allaltra estremità. Gli atomi, vale la pena notare di nuovo, non sono piccoli pezzi solidi di materia, ma sistemi che possono essere modificati o subire cambiamenti strutturali.
Le lampadine si illuminano a causa del flusso di elettroni (Credito: Feng Yu / Alamy Stock Foto)
Le lampadine si illuminano a causa del flusso di elettroni (Credito: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Ma la scoperta dellelettrone ha suggerito che cera altro da imparare sugli atomi. Il lavoro di Thomson ha rivelato che gli elettroni sono caricati negativamente, ma sapeva che gli atomi stessi non avevano carica complessiva. Ragionò che dovevano contenere misteriose particelle caricate positivamente per cancellare gli elettroni caricati negativamente.
Aveva dimostrato lesistenza di un nucleo denso allinterno dellatomo
Esperimenti allinizio del XX Century ha identificato quelle particelle caricate positivamente e allo stesso tempo ha rivelato la struttura interna dellatomo simile al sistema solare.
Ernest Rutherford e i suoi colleghi hanno preso un foglio di metallo molto sottile e lo hanno sottoposto a un raggio di radiazione caricata positivamente – un flusso di piccole particelle. La maggior parte della potente radiazione è passata attraverso, proprio come Rutherford pensava che sarebbe successo, dato quanto era sottile la lamina. Ma sorprendentemente, una parte di essa è rimbalzata.
Rutherford pensava che gli atomi nella lamina di metallo dovevano contenere aree piccole e dense con una carica positiva: nientaltro avrebbe il potenziale per riflettere la radiazione a una così forte grado. Aveva trovato le cariche positive nellatomo e contemporaneamente dimostrato che erano tutte raggruppate in una massa compatta in un modo in cui gli elettroni non lo sono. In altre parole, aveva dimostrato lesistenza di un nucleo denso allinterno dellatomo.
Il fisico di Cambridge James Chadwick era alla disperata ricerca del neutrone
Tuttavia, cera ancora un problema. A questo punto, la massa degli atomi potrebbe essere stimata. Ma dato quello che si sapeva su quanto dovesse essere pesante una particella nel nucleo, lidea che fossero tutte caricate positivamente non aveva senso.
“Il carbonio ha sei elettroni e quindi sei protoni nel nucleo – sei cariche positive e sei cariche negative “, spiega Cliff. “Ma il nucleo di carbonio non pesa sei protoni, pesa [lequivalente di] 12 protoni”.
Allinizio si pensava che le altre sei particelle nucleari avessero la stessa massa dei protoni, ma carica neutra: neutroni. Ma nessuno potrebbe provarlo. In effetti, i neutroni non furono effettivamente scoperti fino agli anni 30.
Tutto intorno a noi è fatto di atomi (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Tutto intorno a noi è fatto di atomi (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Il fisico di Cambridge James Chadwick desiderava disperatamente scoprire il neutrone. Ha lavorato alla teoria per anni. Nel 1932 fece una svolta.
Negli anni 30 avevamo capito molto sugli atomi, ma nessuno ne aveva prodotto unimmagine diretta
Qualche anno prima, altri fisici avevano sperimentato con le radiazioni. Hanno sparato radiazioni caricate positivamente – lo stesso tipo che Rutherford aveva usato per scoprire il nucleo – contro gli atomi di berillio. Il berillio espelleva da solo le radiazioni: radiazioni che non erano caricate né positivamente né negativamente e che potevano penetrare lontano attraverso il materiale.
A questo punto, altri avevano già capito che la radiazione gamma era neutra e profondamente penetrante. , quindi i fisici presumevano che questo fosse ciò che gli atomi di berillio stavano rilasciando. Ma Chadwick non era convinto.
Ha generato personalmente alcune delle nuove radiazioni e le ha puntate su una sostanza che sapeva essere ricca di protoni. Inaspettatamente, i protoni sono stati lanciati in aria lontano dal materiale come se fossero stati colpiti da particelle con la stessa massa, come le palle da biliardo colpite da altre palle da biliardo.
La radiazione gamma non può deviare i protoni in questo modo, quindi Chadwick realizzò che le particelle in questione qui dovevano avere la stessa massa del protone ma prive della sua carica elettrica: erano neutroni.
Tutti i bit chiave dellatomo erano stati individuati, ma il la storia non si ferma qui.
Puoi persino capire che aspetto hanno gli atomi colpendoli
Sebbene avessimo scoperto molto di più sugli atomi di quanto avessimo prima, essi erano ancora difficili da visualizzare. E negli anni 30, nessuno aveva prodotto unimmagine diretta di uno, che è ciò che molte persone vorrebbero vedere per accettare davvero di essere lì.
È importante, tuttavia, le tecniche che era stato utilizzato da scienziati come Thomson, Rutherford e Chadwick, avrebbe aperto la strada a nuove apparecchiature che alla fine ci avrebbero aiutato a produrre quelle immagini. I fasci di elettroni che Thomson ha generato nel suo esperimento con i tubi di Crookes si sono rivelati particolarmente utili.
Oggi fasci simili sono generati da microscopi elettronici e il più potente di questi microscopi può effettivamente creare immagini di singoli atomi. Questo perché un fascio di elettroni può avere una lunghezza donda migliaia di volte più corta di un fascio di luce – così breve, infatti, che le onde di elettroni possono essere deviate da minuscoli atomi per generare unimmagine in un modo che i fasci di luce non possono.
Neal Skipper dellUniversity College di Londra afferma che tali immagini sono utili per le persone che vogliono studiare la struttura atomica di sostanze speciali, ad esempio quelle usate per fabbricare batterie per auto elettriche. Più sappiamo sulla loro struttura atomica, meglio possiamo progettarli in modo che siano efficienti e affidabili.
I microscopi a forza atomica possono mostrarci singoli atomi (Credito: Flirt / Alamy Stock Photo)
I microscopi a forza atomica possono mostrarci singoli atomi (Credito: Flirt / Alamy Stock Photo)
Puoi persino capire come appaiono gli atomi colpendoli. Questo è essenzialmente il modo in cui funziona la microscopia a forza atomica.
In un liquido, mentre lo riscaldi, puoi vedere gli atomi avere configurazioni più disordinate
Lidea è di portare la punta di una sonda estremamente piccola vicino alla superficie di una molecola o alla superficie di un materiale. A distanze così ravvicinate, la sonda sarà sensibile alla struttura chimica di qualunque cosa sia puntata e il cambiamento di resistenza mentre si muove attraverso di essa consente agli scienziati di produrre immagini di come appare, ad esempio, una singola molecola.
Recentemente, i ricercatori hanno pubblicato meravigliose immagini di una molecola prima e dopo una reazione chimica utilizzando questo metodo.
Skipper aggiunge che molte ricerche atomiche oggi esplorano come cambia la struttura delle cose quando una pressione elevata o temperatura estrema. La maggior parte delle persone sa che quando un materiale viene riscaldato, spesso si espande. Ora è possibile rilevare i cambiamenti atomici che si verificano e ciò lo rende possibile.
“In un liquido, mentre lo riscaldi, puoi vedere che gli atomi hanno configurazioni più disordinate”, dice Skipper. “Puoi vederlo direttamente dalla mappa strutturale”.
Skipper e altri fisici possono anche lavorare sugli atomi utilizzando i fasci di neutroni identificati per la prima volta da Chadwick negli anni 30.
Puoi identificare atomi rilevando lenergia dei soli raggi gamma
“Quello che facciamo molto è sparare fasci di neutroni su grumi di materiali e dal modello di scattering che emerge puoi capire che stavi diffondendo neutroni dal nucleo “, dice. “Puoi calcolare la massa e le dimensioni approssimative delloggetto che stava effettuando la dispersione.”
Ma gli atomi non sono sempre seduti lì, tranquillamente stabili, in attesa di essere esaminati. A volte stanno decadendo, il che significa che sono radioattivi.
Ci sono molti elementi radioattivi presenti in natura. Il processo genera energia, che costituisce la base dellenergia nucleare – e bombe nucleari. La ricerca dei fisici nucleari generalmente implica il tentativo di comprendere meglio le reazioni in cui il nucleo subisce cambiamenti fondamentali come questi.
Gli atomi di uranio possono dividersi in due (Credito: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Gli atomi di uranio possono dividersi in due (Credit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan presso lUniversità di Liverpool è specializzata nello studio dei raggi gamma, un tipo di radiazione emessa dal decadimento atomi. Un atomo radioattivo di un dato tipo genera una forma specifica di raggi gamma. Ciò significa che puoi identificare gli atomi rilevando solo lenergia dei raggi gamma – e questo è esattamente ciò che Harkness-Brennan fa nel suo laboratorio.
Non abbiamo appena scoperto cosa sono gli atomi, ci siamo resi conto che sono strutture meravigliosamente complesse
“I tipi di rilevatori che usereste sono rilevatori che consentono di misurare sia la presenza della radiazione ma anche lenergia della radiazione che viene depositata”, dice, “E questo perché i nuclei hanno tutti unimpronta digitale caratteristica.”
Poiché potrebbero esserci tutti i tipi di atomi presenti in unarea in cui viene rilevata la radiazione, specialmente dopo una grande reazione nucleare di qualche tipo, è importante sapere con precisione quali isotopi radioattivi sono presenti. Questo tipo di rilevamento viene comunemente eseguito nelle centrali nucleari o nelle aree in cui si sono verificati disastri nucleari.
Harkness-Brennan e i suoi colleghi stanno ora lavorando su sistemi di rilevamento che possono essere installati in tali luoghi per mostrare , in tre dimensioni, dove la radiazione potrebbe essere presente in una stanza particolare. “Quello che vuoi fare è disporre di tecniche e strumenti che ti consentano di immaginare uno spazio tridimensionale e di dirti in quella stanza, in quel tubo, che è lì che si trova la radiazione”, dice.
Dato quanto è piccolo latomo è incredibile quanta fisica possiamo ricavarne
È anche possibile visualizzare la radiazione in una “camera a nebbia”. Questo è un esperimento speciale in cui il vapore di alcol, raffreddato a -40 ° C, si sposta in una nuvola attorno a una sorgente radioattiva. Le particelle cariche di radiazioni che volano via dalla sorgente rimuovono gli elettroni dalle molecole di alcol. Questo fa condensare lalcol in un liquido attorno al percorso della particella emessa. I risultati di questo tipo di rilevamento sono davvero sorprendenti.
Non abbiamo solo capito cosa sono gli atomi, ci siamo resi conto che sono strutture meravigliosamente complesse che possono subire cambiamenti sorprendenti, molti dei quali si verificano naturalmente. E studiando gli atomi in questo modo, siamo stati in grado di migliorare le nostre tecnologie, sfruttare lenergia delle reazioni nucleari e comprendere meglio il mondo naturale che ci circonda. Siamo anche stati in grado di proteggerci meglio dalle radiazioni e scoprire come cambiano i materiali se posti in condizioni estreme.
Harkness-Brennan lo dice bene: “Dato quanto è piccolo latomo, è incredibile quanta fisica abbiamo può uscirne. “
Tutto ciò che possiamo vedere intorno a noi è fatto di queste piccole cose. È bello sapere che sono laggiù, rendendo tutto possibile.