Beste svaret
Massen av et atom av et element er summen av massen til alle protoner og massen til alle nøytronene elektronene er ubetydelige
Det er et enkelt proton og et enkelt valg i hydrogenatom, og det er ikke noe nøytron
Så, massen av et hydrogenatom = massen av ett proton + massen av ett elektron
Alle de andre elementene har mer antall protoner og nøytroner enn hydrogen
Derfor er hydrogen det letteste elementet i det periodiske systemet.
Svar
Atomer er små. Virkelig, veldig liten. Du har sannsynligvis hørt at saken er laget av bunter av disse små tingene. Du vil sannsynligvis også vite at du ikke kan se dem med det blotte øye. Vi blir bedt om å ta på oss ideen om at atomer er der, samhandler med hverandre og er byggesteiner for vår verden.
For de fleste er det imidlertid ikke bra nok. Vitenskapen er stolt av måten den bruker virkelige observasjoner på for å utarbeide universets mysterier – så hvordan kom vi til at den konkluderte at atomer eksisterer, og hva har vi lært om disse små strukturene?
Det kan virke som som om det er en enkel måte å bevise atomer eksisterer på: legg dem under mikroskopet. Men denne tilnærmingen vil ikke fungere. Faktisk kan ikke selv de kraftigste lysfokuserende mikroskopene visualisere enkeltatomer. Det som gjør et objekt synlig, er måten det avbøyer synlige lysbølger. Atomer er så mye mindre enn bølgelengden for synlig lys at de to ikke egentlig samhandler. For å si det på en annen måte, atomer er usynlige for å tenne seg selv. Atomer har imidlertid observerbare effekter på noen av tingene vi kan se.
Synlig lys kan ikke avsløre individuelle atomer (Kreditt: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Synlig lys kan ikke avsløre individuelle atomer (kreditt: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
For hundrevis av år siden i 1785 studerte den nederlandske forskeren Jan Ingenhousz et underlig fenomen som han ikke helt kunne forstå. Minutepartikler av kullstøv dartet rundt på overflaten av noe alkohol i laboratoriet hans.
Selv de kraftigste lysfokuserende mikroskopene kan ikke visualisere enkeltatomer
Cirka 50 år senere , i 1827, beskrev den skotske botanikeren Robert Brown noe merkelig likt. Han fikk trent mikroskopet på noen pollenkorn. Brown la merke til at noen av kornene frigjorde bittesmå partikler – som deretter ville bevege seg bort fra pollenkornet i en tilfeldig nervøs dans.
Først lurte Brown på om partiklene virkelig var en slags ukjent organisme. Han gjentok eksperimentet med andre stoffer som bergstøv, som han visste ikke levde, og så den samme rare bevegelsen igjen.
Det ville ta nesten et århundre før vitenskapen ga en forklaring. Einstein kom sammen og utviklet en matematisk formel som ville forutsi denne spesielle typen bevegelse – da kalt Brownian-bevegelse, etter Robert Brown.
Einsteins teori var at partiklene fra pollenkornene ble flyttet rundt fordi de stadig krasjet inn i millioner av tynnere molekyler med vann – molekyler som var laget av atomer.
Det kan komme som en overraskelse at atomer kan brytes ned – spesielt siden «atomos» betyr «udelelig»
“Han forklarer denne flirrende bevegelsen som du ser som faktisk er forårsaket av innvirkning av enkelte vannmolekyler på støvpartiklene eller hva det enn er du har på væsken din,” forklarer Harry Cliff på University of Cambridge, som også er kurator ved Londons Science Museum.
Innen 1908 hadde observasjoner støttet med beregninger bekreftet at atomer var reelle. I løpet av omtrent et tiår ville fysikere kunne gå lenger. Ved å trekke fra hverandre atomer begynte de å få en følelse av deres indre struktur.
Det kan komme som en overraskelse at atomer kan brytes ned – spesielt siden selve navnet atom stammer fra et gresk begrep «atomos». , som betyr «udelelig». Men fysikere vet nå at atomer ikke er solide små baller. Det er bedre å tenke på dem som små elektriske, «planetariske» systemer. De består vanligvis av tre hoveddeler: protoner, nøytroner og elektroner. Tenk på protonene og nøytronene som sammen danner en «sol», eller kjerne, i sentrum av systemet. Elektronene kretser rundt denne kjernen, som planeter.
Atomer består av mindre partikler (Kreditt: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Atomer består av mindre partikler (Credit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Hvis atomer er umulig små, er disse subatomære partiklene enda mer. Morsomt nok var den første partikkelen som ble oppdaget faktisk den minste av de tre – elektronet.
For å få et inntrykk av størrelsesforskjellen her, er protoner i kjernen faktisk rundt 1830 ganger så store som elektroner . Se for deg en liten marmor som kretser rundt en luftballong – det er den slags avvik vi snakker om her.
Det er en av de første partikkelakseleratorene på en måte
Men hvordan vet vi at partiklene er der? Svaret er fordi, selv om de er små, kan de ha stor innvirkning. Den britiske fysikeren som oppdaget elektroner, JJ Thomson, brukte en spesielt iøynefallende metode for å bevise deres eksistens i 1897.
Hans spesielle enhet ble kalt et Crookes-rør – et morsomt formet stykke glass hvorav nesten all luften ble sugd av en maskin. Deretter ble en negativ elektrisk ladning påført den ene enden av røret. Denne ladningen var nok til å strippe de gjenværende gassmolekylene i røret til noen av deres elektroner. Elektroner er negativt ladet, så de fløy ned i røret mot den andre enden. Takket være det delvise vakuumet klarte disse elektronene å skyte gjennom røret uten at store atomer kom i veien.
Den elektriske ladningen fikk elektronene til å bevege seg veldig raskt – rundt 37.000 miles per sekund (59.500 kilometer per sekund) – til de smadret i glasset i ytterenden, og banket inn i enda flere elektroner assosiert med atomene der. Utrolig nok genererte kollisjonene mellom disse utrolig små partiklene så mye energi at det skapte en fantastisk grønn-gul glød.
Et Crookes-rør med maltesisk kryssformet metall (Kreditt: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Et Crookes-rør med maltesisk kryssformet metall (kreditt: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
«Det er en av de første partikkelakseleratorene på en måte,» sier Cliff. «Det akselererer elektroner fra den ene enden av røret til den andre, og de treffer skjermen i den andre enden og gir denne fosforescerende gløden.»
Oppdagelsen av elektronet antydet at det var mer å lære om atomer
Fordi Thomson fant ut at han faktisk kunne styre elektronstrålene med magneter og elektriske felt, visste han at de ikke bare var rare lysstråler – de måtte lade partikler.
Og hvis du lurer på hvordan disse elektronene kan fly rundt uavhengig av atomene sine, er det på grunn av en prosess som kalles ionisering, der – i dette tilfellet – en elektrisk ladning endrer atomets struktur ved å skyve disse elektronene ut i rommet rundt.
Faktisk er det fordi elektroner blir så lett manipulert og flyttet rundt at elektriske kretser er mulige. Elektroner i en kobbertråd beveger seg i en toglignende bevegelse fra det ene kobberatomet til det andre – og det er det som fører ladningen gjennom ledningen til den andre enden. Atomer, det er verdt å merke seg igjen, er ikke solide små biter av materie, men systemer som kan modifiseres eller gjennomgår strukturelle endringer.
Lyspærer lyser på grunn av strømmen av elektroner (kreditt: Feng Yu / Alamy Stock Foto)
Lyspærer lyser på grunn av strømmen av elektroner (kreditt: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Men oppdagelsen av elektronen antydet at det var mer å lære om atomer. Thomsons arbeid avslørte at elektroner er negativt ladet – men han visste at atomer i seg selv ikke hadde noen total ladning. Han resonnerte at de må inneholde mystiske positivt ladede partikler for å avbryte de negativt ladede elektronene.
Han hadde demonstrert eksistensen av en tett kjerne i atom
Eksperimenter på begynnelsen av det 20. Century identifiserte disse positivt ladede partiklene og avslørte samtidig atommets solsystemlignende indre struktur.
Ernest Rutherford og hans kolleger tok veldig tynn metallfolie og la den under en stråle med positivt ladet stråling – en strøm av små partikler. Det meste av kraftig stråling seilte rett igjennom, akkurat som Rutherford trodde det ville, gitt hvor tynn folien var. Men overraskende, spratt noe av det tilbake.
Rutherford resonnerte at atomene i metallfolien må inneholde små, tette områder med en positiv ladning – ingenting annet ville ha potensialet til å reflektere strålingen til en så sterk grad. Han hadde funnet de positive ladningene i atomet – og samtidig bevist at de alle var samlet i en tett masse på en måte som elektroner ikke er. Med andre ord hadde han demonstrert eksistensen av en tett kjerne i atomet.
Cambridge-fysikeren James Chadwick var desperat etter å oppdage nøytronen
Det var imidlertid fortsatt et problem. Nå kunne massen av atomer estimeres. Men med tanke på det som var kjent om hvor tung en partikkel i kjernen skulle være, ga ikke ideen om at de alle var positivt ladede mening.
“Kull har seks elektroner og derfor seks protoner i kjernen – seks positive ladninger og seks negative ladninger, forklarer Cliff. «Men kjernen av karbon veier ikke seks protoner, den veier [tilsvarer] 12 protoner.»
Tidlig trodde man at de andre seks atompartiklene ville ha samme masse som protoner, men være nøytralt ladet: nøytroner. Men ingen kunne bevise dette. Faktisk ble nøytroner faktisk ikke oppdaget før på 1930-tallet.
Alt rundt oss er laget av atomer (Kreditt: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Alt rundt oss er laget av atomer (Kreditt: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Cambridge fysiker James Chadwick var desperat etter å oppdage nøytronet. Han hadde jobbet med teorien i årevis. I 1932 gjorde han et gjennombrudd.
På 1930-tallet hadde vi funnet ut mye om atomer, men ingen hadde produsert et direkte bilde av et
Noen år tidligere, andre fysikere hadde eksperimentert med stråling. De skjøt positivt ladet stråling – den samme typen som Rutherford hadde brukt for å oppdage kjernen – på berylliumatomer. Beryllium sparket ut sin egen stråling: stråling som verken var positivt eller negativt ladet, og som kunne trenge langt gjennom materialet.
På dette tidspunktet hadde andre allerede funnet ut at gammastråling var nøytral og dypt gjennomtrengende. , så fysikerne antok at dette var det berylliumatomene frigjorde. Men Chadwick var ikke overbevist.
Han genererte noe av den nye strålingen selv og siktet den mot et stoff som han visste var rikt på protoner. Uventet ble protonene banket opp i luften vekk fra materialet som om de hadde blitt truffet av partikler med samme masse – som snookerballer som ble truffet av andre snookerballer.
Gamma-stråling kan ikke avbøye protoner. på denne måten, så Chadwick innså at partiklene det er snakk om her må ha samme masse som protonen, men mangler dens elektriske ladning: de var nøytroner.
Alle nøkkelbitene i atomet hadde blitt funnet ut, men historien stopper ikke der.
Du kan til og med finne ut hvordan atomer ser ut ved å peke på dem
Selv om vi hadde funnet ut mye mer om atomer enn vi hadde før, de var fortsatt vanskelig å visualisere. Og tilbake på 1930-tallet hadde ingen produsert et direkte bilde av en – det er det mange vil ønske å se for virkelig å akseptere at de er der.
Det er imidlertid viktig at teknikkene som hadde blitt brukt av forskere som Thomson, Rutherford og Chadwick, ville bane vei for nytt utstyr som til slutt ville hjelpe oss med å produsere disse bildene. Elektronstrålene som Thomson genererte i Crookes-røreksperimentet, viste seg å være spesielt nyttige.
I dag genereres lignende stråler av elektronmikroskoper, og den kraftigste av disse mikroskopene kan faktisk lage bilder av individuelle atomer. Dette er fordi en elektronstråle kan ha en bølgelengde tusenvis av ganger kortere enn en lysstråle – så kort, faktisk at elektronbølger kan avbøyes av små atomer for å generere et bilde på en måte som lysstråler ikke kan.
Neal Skipper ved University College London sier slike bilder er nyttige for folk som ønsker å studere atomstrukturen til spesielle stoffer – de som brukes til å lage batterier til elbiler, for eksempel. Jo mer vi vet om atomstrukturen deres, jo bedre kan vi designe dem for å være effektive og pålitelige.
Atomkraftmikroskop kan vise oss individuelle atomer (Kreditt: Flirt / Alamy Stock Photo)
Atomkraftmikroskop kan vise oss individuelle atomer (Kreditt: Flirt / Alamy Stock Photo)
Du kan til og med finne ut hvordan atomer ser ut ved å peke på dem. Dette er egentlig hvordan atomkraftmikroskopi fungerer.
I en væske når du varmer den opp, kan du se atomer har mer uordnede konfigurasjoner
Ideen er å bringe toppen av en ekstremt liten sonde nær overflaten av et molekyl eller materialets overflate. På så nært hold vil sonden være følsom for den kjemiske strukturen til hva den enn er pekt på, og endringen i motstand når den beveger seg over den, lar forskere produsere bilder av hvordan for eksempel et enkelt molekyl ser ut.
Nylig publiserte forskere fantastiske bilder av et molekyl før og etter en kjemisk reaksjon ved hjelp av denne metoden.
Skipper legger til at mye atomforskning i dag utforsker hvordan tingenes struktur endrer seg når et høyt trykk , eller ekstrem temperatur, brukes. De fleste vet at når et materiale blir varmet opp, utvides det ofte. Det er nå mulig å oppdage atomforandringene som oppstår som gjør dette mulig.
«I en væske, når du varmer den opp, kan du se atomer har mer uordnede konfigurasjoner,» sier Skipper. «Du kan se det direkte fra det strukturelle kartet.»
Skipper og andre fysikere kan også jobbe med atomer ved å bruke nøytronstrålene som Chadwick først identifiserte på 1930-tallet.
Du kan identifisere atomer ved å oppdage energien fra gammastråler alene
“Det vi gjør mye er å skyte bjelker av nøytroner mot materialklumper og fra spredningsmønsteret som dukker opp, kan du finne ut at du spredte nøytroner fra kjernen, ”sier han. «Du kan regne ut massen og den grove størrelsen på objektet som spredte.»
Men atomer sitter ikke alltid bare der, rolig stabile og venter på å bli undersøkt. Noen ganger forfaller de – noe som betyr at de er radioaktive.
Det er mange naturlig forekommende radioaktive elementer. Prosessen genererer energi, som danner grunnlaget for kjernekraft – og kjernefysiske bomber. Kjernefysikernes forskning innebærer generelt å prøve å forstå reaksjoner der kjernen gjennomgår grunnleggende endringer som disse.
Uranatomer kan deles i to (Kreditt: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Uranatomer kan deles i to (Kreditt: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan ved University of Liverpool spesialiserer seg i studiet av gammastråler – en type stråling som avgis ved forfall atomer. Et radioaktivt atom av en gitt type genererer en bestemt form for gammastråle. Det betyr at du kan identifisere atomer ved å oppdage energien fra gammastråler alene – og dette er akkurat hva Harkness-Brennan gjør i laboratoriet sitt.
Vi har ikke bare funnet ut hva atomer er, vi har innsett at de er utrolig komplekse strukturer
«De typene detektorer du vil bruke er detektorer som lar deg måle både tilstedeværelsen av strålingen, men også energien til strålingen som blir avsatt,» sier hun, «Og det er fordi kjernene alle har et karakteristisk fingeravtrykk.»
Fordi det kan være alle slags atomer tilstede i et område der det oppdages stråling, spesielt etter en stor atomreaksjon av noe slag, er det viktig å vet nøyaktig hvilke radioaktive isotoper som er tilstede. Denne typen påvisning gjøres ofte i atomkraftverk, eller i områder der det har vært atomkatastrofer.
Harkness-Brennan og hennes kolleger jobber nå med deteksjonssystemer som kan settes opp på slike steder for å vise , i tre dimensjoner, hvor stråling kan være tilstede i et bestemt rom. «Det du vil gjøre er å ha teknikker og verktøy som lar deg avbilde et tredimensjonalt rom og fortelle deg i det rommet, i det røret, det er der strålingen er,» sier hun.
Gitt hvor lite atomet er, det er utrolig hvor mye fysikk vi kan få ut av det
Det er også mulig å visualisere stråling i et ”skykammer”. Dette er et spesielt eksperiment der alkoholdamp, avkjølt til -40C, driver i en sky rundt en radioaktiv kilde. Ladede partikler av stråling som flyr bort fra kilden fjerner elektronene fra alkoholmolekyler. Dette får alkoholen til å kondensere til væske rundt banen til den emitterte partikkelen. Resultatene av denne typen deteksjon er egentlig ganske imponerende.
Vi har ikke bare funnet ut hva atomer er, vi har innsett at de er fantastisk komplekse strukturer som kan gjennomgå fantastiske endringer – hvorav mange oppstår naturlig. Og ved å studere atomer på denne måten har vi klart å forbedre teknologiene våre, utnytte energien fra kjernefysiske reaksjoner og bedre forstå den naturlige verden rundt oss. Vi har også vært i stand til å bedre beskytte oss mot stråling og oppdage hvordan materialer endres når de plasseres under ekstreme forhold.
Harkness-Brennan uttrykker det bra: ”Gitt hvor lite atomet er, er det utrolig hvor mye fysikk vi har kan komme ut av det. ”
Alt vi kan se rundt oss er laget av disse små tingene. Det er godt å vite at de er der nede, noe som gjør alt mulig.