Welk atoom is het lichtste?

Beste antwoord

Massa van een atoom van een element is de som van de massa van alle protonen en die van alle neutronen Massa van de elektronen zijn verwaarloosbaar

Er is een enkel proton en een enkele verkiezing in waterstofatoom en er is geen neutron

Dus, massa van een waterstofatoom = massa van één proton + massa van één elektron

Alle andere elementen hebben een groter aantal protonen en neutronen dan dat van waterstof

Daarom is waterstof het lichtste element in het periodiek systeem.

Antwoord

Atomen zijn klein. Echt heel klein. U zult waarschijnlijk hebben gehoord dat materie bestaat uit bundels van deze kleine dingen. U zult waarschijnlijk ook weten dat u ze niet met het blote oog kunt zien. Ons wordt verteld dat we het idee moeten aannemen dat atomen er zijn, met elkaar in wisselwerking staan en bouwstenen zijn voor onze wereld.

Voor de meeste mensen is dat echter niet goed genoeg. De wetenschap is trots op de manier waarop ze echte waarnemingen gebruikt om de mysteries van het universum uit te werken – dus hoe zijn we tot de conclusie gekomen dat atomen bestaan, en wat hebben we geleerd over deze kleine structuren?

Het lijkt misschien alsof er een eenvoudige manier is om het bestaan van atomen te bewijzen: leg ze onder de microscoop. Maar deze aanpak zal niet werken. In feite kunnen zelfs de krachtigste lichtfocusserende microscopen geen afzonderlijke atomen visualiseren. Wat een object zichtbaar maakt, is de manier waarop het zichtbare lichtgolven afbuigt. Atomen zijn zo veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht dat de twee niet echt op elkaar inwerken. Anders gezegd: atomen zijn onzichtbaar om zichzelf te verlichten. Atomen hebben echter waarneembare effecten op sommige dingen die we kunnen zien.

Zichtbaar licht kan individuele atomen niet onthullen (Credit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)

Zichtbaar licht kan niet onthullen individuele atomen (Credit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)

Honderden jaren geleden, in 1785, bestudeerde de Nederlandse wetenschapper Jan Ingenhousz een vreemd fenomeen dat hij niet helemaal kon begrijpen. Minuscule deeltjes kolenstof schoten rond op het oppervlak van wat alcohol in zijn laboratorium.

Zelfs de krachtigste lichtfocusserende microscopen kunnen geen enkele atomen visualiseren

Ongeveer 50 jaar later , in 1827 beschreef de Schotse botanicus Robert Brown iets merkwaardigs vergelijkbaars. Hij liet zijn microscoop op enkele stuifmeelkorrels trainen. Brown merkte op dat sommige van de korrels minuscule deeltjes vrijgaven – die zich dan in een willekeurige zenuwachtige dans van de stuifmeelkorrel zouden verplaatsen.

Aanvankelijk vroeg Brown zich af of de deeltjes echt een soort onbekend organisme waren. Hij herhaalde het experiment met andere stoffen zoals steenstof, waarvan hij wist dat ze niet leefden, en zag dezelfde vreemde beweging opnieuw.

Het zou bijna nog een eeuw duren voordat de wetenschap een verklaring zou bieden. Einstein kwam langs en ontwikkelde een wiskundige formule die dit zeer specifieke type beweging zou voorspellen – tegen die tijd Brownse beweging genoemd, naar Robert Brown.

Einsteins theorie was dat de deeltjes van de stuifmeelkorrels werden verplaatst. omdat ze constant tegen miljoenen kleinere watermoleculen botsten – moleculen die uit atomen waren gemaakt.

Het zou als een verrassing kunnen komen dat atomen kunnen worden afgebroken – vooral omdat atomos ondeelbaar betekent

“Hij legt uit dat deze schuddende beweging die je ziet als feitelijk wordt veroorzaakt door de impact van individuele watermoleculen op de stofdeeltjes of wat het ook is dat je op je vloeistof hebt,” legt Harry Cliff uit op de Universiteit van Cambridge, die ook curator is van het Londense Science Museum.

In 1908 hadden waarnemingen ondersteund door berekeningen bevestigd dat atomen echt waren. Binnen ongeveer een decennium zouden natuurkundigen verder kunnen gaan. Door individuele atomen uit elkaar te trekken, begonnen ze een idee te krijgen van hun interne structuur.

Het zou als een verrassing kunnen komen dat atomen kunnen worden afgebroken – vooral omdat de naam atoom is afgeleid van een Griekse term “atomos” , wat ondeelbaar betekent. Maar natuurkundigen weten nu dat atomen geen stevige bolletjes zijn. Het is beter om ze te zien als kleine elektrische, “planetaire” systemen. Ze bestaan meestal uit drie hoofdonderdelen: protonen, neutronen en elektronen. Denk aan de protonen en neutronen die samen een “zon” of kern vormen in het centrum van het systeem. De elektronen cirkelen rond deze kern, net als planeten.

Atomen zijn opgebouwd uit kleinere deeltjes (Credit: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)

Atomen bestaan uit kleinere deeltjes (Credit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)

Als atomen onmogelijk klein zijn, zijn deze subatomaire deeltjes dat zelfs nog meer. Grappig genoeg was het eerste deeltje dat werd ontdekt eigenlijk het kleinste van de drie: het elektron.

Om een idee te krijgen van het verschil in grootte hier, zijn protonen in de kern eigenlijk ongeveer 1.830 keer zo groot als elektronen. . Stel je een kleine knikker voor in een baan om een heteluchtballon – dat is het soort verschil waar we het hier over hebben.

Het is in zekere zin een van de eerste deeltjesversnellers

Maar hoe weten we dat die deeltjes er zijn? Het antwoord is omdat ze, hoewel klein, een grote impact kunnen hebben. De Britse natuurkundige die elektronen ontdekte, JJ Thomson, gebruikte een bijzonder opvallende methode om hun bestaan in 1897 te bewijzen.

Zijn speciale apparaat heette een Crookes-buis – een grappig gevormd stuk glas waaruit bijna alle lucht werd aangezogen door een machine. Vervolgens werd een negatieve elektrische lading aangebracht op een uiteinde van de buis. Deze lading was voldoende om de resterende gasmoleculen in de buis van enkele van hun elektronen te ontdoen. Elektronen zijn negatief geladen, dus vlogen ze door de buis naar het andere uiteinde. Dankzij het onderdruk konden die elektronen door de buis schieten zonder dat er grote atomen in de weg liepen.

De elektrische lading zorgde ervoor dat de elektronen heel snel bewogen – ongeveer 37.000 mijl per seconde (59.500 kilometer per seconde) – totdat ze aan het andere uiteinde tegen het glas sloegen en nog meer elektronen insloegen die geassocieerd waren met de atomen daar. Verbazingwekkend genoeg genereerden de botsingen tussen deze verbijsterend kleine deeltjes zoveel energie dat het een fantastische groen-gele gloed creëerde.

Een Crookes-buis met Maltees kruisvormig metaal (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)

“Het is in zekere zin een van de eerste deeltjesversnellers”, zegt Cliff. “Het versnelt elektronen van het ene uiteinde van de buis naar het andere en ze raken het scherm aan het andere uiteinde en geven deze fosforescerende gloed.”

De ontdekking van het elektron suggereerde dat er meer te leren valt over atomen

Omdat Thomson ontdekte dat hij de elektronenstralen daadwerkelijk kon sturen met magneten en elektrische velden, wist hij dat het niet alleen rare lichtstralen waren – het moesten geladen deeltjes zijn.

En als je je afvraagt hoe deze elektronen onafhankelijk van hun atomen rond kunnen vliegen, dan is dat vanwege een proces dat ionisatie wordt genoemd, waarbij – in dit geval – een elektrische lading de structuur van het atoom verandert door die elektronen de ruimte in te duwen.

In feite is het omdat elektronen zo gemakkelijk kunnen worden gemanipuleerd en verplaatst, dat elektrische circuits mogelijk zijn. Elektronen in een koperdraad verplaatsen zich in een treinachtige beweging van het ene koperatoom naar het andere – en dat is datgene dat de lading door de draad naar het andere uiteinde voert. Het is vermeldenswaard dat atomen geen solide kleine stukjes materie zijn, maar systemen die kunnen worden aangepast of structurele veranderingen ondergaan.

Gloeilampen gloeien door de stroom van elektronen (Credit: Feng Yu / Alamy Stock Foto)

Gloeilampen gloeien door de stroom van elektronen (Credit: Feng Yu / Alamy Stock Photo)

Maar de ontdekking van het elektron suggereerde dat er meer te leren was over atomen. Thomsons werk onthulde dat elektronen negatief geladen zijn, maar hij wist dat atomen zelf geen algehele lading hadden. Hij redeneerde dat ze mysterieuze positief geladen deeltjes moesten bevatten om de negatief geladen elektronen te neutraliseren.

Hij had het bestaan van een dichte kern binnen het atoom aangetoond

Experimenten aan het begin van de 20e Century identificeerde die positief geladen deeltjes en onthulde tegelijkertijd de interne structuur van het atoom in het zonnestelsel.

Ernest Rutherford en zijn collegas namen heel dun metaalfolie en plaatsten het onder een straal van positief geladen straling – een stroom van kleine deeltjes. De meeste krachtige straling zeilde er dwars doorheen, precies zoals Rutherford dacht dat het zou gebeuren, gezien de dunne folie. Maar verrassend genoeg kaatste een deel ervan terug.

Rutherford redeneerde dat de atomen in de metaalfolie kleine, dichte gebieden met een positieve lading moeten bevatten – niets anders zou het potentieel hebben om de straling zo sterk te reflecteren. mate. Hij had de positieve ladingen in het atoom gevonden – en tegelijkertijd bewezen dat ze allemaal samen in een dichte massa waren gebundeld op een manier die elektronen niet zijn. Met andere woorden, hij had het bestaan van een dichte kern in het atoom aangetoond.

Cambridge-fysicus James Chadwick was wanhopig op zoek naar het neutron

Er was echter nog steeds een probleem. Inmiddels zou de massa van atomen kunnen worden geschat. Maar gezien wat bekend was over hoe zwaar een deeltje in de kern zou moeten zijn, klopte het idee dat ze allemaal positief geladen waren niet.

“Koolstof heeft zes elektronen en dus zes protonen in de kern – zes positieve ladingen en zes negatieve ladingen ”, legt Cliff uit. “Maar de kern van koolstof weegt geen zes protonen, hij weegt [het equivalent van] 12 protonen.”

Al vroeg werd gedacht dat de andere zes nucleaire deeltjes dezelfde massa zouden hebben als protonen, maar neutraal geladen: neutronen. Maar niemand kon dit bewijzen. In feite werden neutronen pas in de jaren dertig ontdekt.

Alles om ons heen is gemaakt van atomen (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)

Cambridge-natuurkundige James Chadwick was wanhopig op zoek naar het neutron. Hij werkte al jaren aan de theorie. In 1932 brak hij door.

In de jaren dertig hadden we veel over atomen bedacht, maar niemand had er een direct beeld van gemaakt

Een paar jaar eerder, andere natuurkundigen hadden met straling geëxperimenteerd. Ze vuurden positief geladen straling af – dezelfde soort die Rutherford had gebruikt om de kern te ontdekken – op berylliumatomen. Het beryllium schopte zijn eigen straling uit: straling die noch positief noch negatief geladen was, en die ver door het materiaal kon dringen.

Tegen die tijd hadden anderen al door dat gammastraling neutraal en diep doordringend was , dus namen de natuurkundigen aan dat dit is wat de berylliumatomen vrijgaven. Maar Chadwick was niet overtuigd.

Hij genereerde zelf een deel van de nieuwe straling en richtte die op een stof waarvan hij wist dat die rijk was aan protonen. Onverwachts werden de protonen de lucht in geslagen, weg van het materiaal alsof ze waren geraakt door deeltjes met dezelfde massa, zoals snookerballen die worden geraakt door andere snookerballen.

Gammastraling kan protonen niet afbuigen. op deze manier realiseerde Chadwick zich dat de deeltjes in kwestie hier dezelfde massa moeten hebben als het proton, maar hun elektrische lading missen: het waren neutronen.

Alle sleutelbits van het atoom waren ontdekt, maar de het verhaal houdt daar niet op.

Je kunt zelfs uitzoeken hoe atomen eruit zien door er in te porren

Hoewel we veel meer over atomen hadden ontdekt dan voorheen, waren nog steeds moeilijk te visualiseren. En in de jaren dertig had niemand er een direct beeld van geproduceerd – en dat is wat veel mensen zouden willen zien om echt te accepteren dat ze er zijn.

Belangrijk is echter dat de technieken die was gebruikt door wetenschappers als Thomson, Rutherford en Chadwick, zou de weg vrijmaken voor nieuwe apparatuur die ons uiteindelijk zou helpen die beelden te produceren. De elektronenstralen die Thomson genereerde in zijn Crookes-buisexperiment bleken bijzonder nuttig.

Tegenwoordig worden soortgelijke bundels gegenereerd door elektronenmicroscopen, en de krachtigste van deze microscopen kunnen in feite afbeeldingen van individuele atomen maken. Dit komt doordat een elektronenbundel een golflengte kan hebben die duizenden keren korter is dan een lichtbundel – zo kort zelfs dat elektronengolven kunnen worden afgebogen door kleine atomen om een beeld te genereren op een manier die lichtbundels niet kunnen.

Neal Skipper van University College London zegt dat dergelijke afbeeldingen nuttig zijn voor mensen die de atomaire structuur van speciale stoffen willen bestuderen, bijvoorbeeld stoffen die worden gebruikt om batterijen voor elektrische autos te maken. Hoe meer we weten over hun atomaire structuur, hoe beter we ze kunnen ontwerpen om efficiënt en betrouwbaar te zijn.

Atoomkrachtmicroscopen kunnen ons individuele atomen laten zien (Credit: Flirt / Alamy Stock Photo)

Je kunt zelfs bepalen hoe atomen eruit zien door ernaar te porren. Dit is in wezen hoe atoomkrachtmicroscopie werkt.

In een vloeistof, terwijl je het opwarmt, kun je zien dat de atomen meer ongeordende configuraties hebben.

Het idee is om de punt van een extreem kleine sonde dicht bij het oppervlak van een molecuul of een materiaaloppervlak. Op zon korte afstand zal de sonde gevoelig zijn voor de chemische structuur van alles waarnaar hij wijst, en de verandering in weerstand terwijl hij erover beweegt, stelt wetenschappers in staat om afbeeldingen te produceren van hoe, bijvoorbeeld, een individueel molecuul eruit ziet.

Onlangs publiceerden onderzoekers met deze methode prachtige afbeeldingen van een molecuul voor en na een chemische reactie.

Skipper voegt eraan toe dat veel atoomonderzoek tegenwoordig onderzoekt hoe de structuur van dingen verandert bij hoge druk. , of extreme temperatuur, wordt toegepast. De meeste mensen weten dat wanneer een materiaal wordt verwarmd, het vaak uitzet. Het is nu mogelijk om de atomaire veranderingen te detecteren die dit mogelijk maken.

“In een vloeistof, terwijl je hem opwarmt, zie je dat de atomen meer ongeordende configuraties hebben”, zegt Skipper. “Dat kun je direct op de structuurkaart zien.”

Schipper en andere natuurkundigen kunnen ook aan atomen werken met behulp van de neutronenbundels die voor het eerst door Chadwick in de jaren dertig werden geïdentificeerd.

Je kunt het identificeren atomen door alleen de energie van gammastraling te detecteren

“Wat we veel doen is neutronenstralen afvuren op brokken materiaal en aan de hand van het verstrooiingspatroon dat tevoorschijn komt, kun je erachter komen dat je neutronen verstrooide vanuit de kern, ”zegt hij. “Je kunt de massa en de ruwe grootte berekenen van het object dat de verstrooiing deed.”

Maar atomen zitten daar niet altijd rustig, stabiel, wachtend op onderzoek. Soms zijn ze aan het vervallen – wat betekent dat ze radioactief zijn.

Er zijn veel natuurlijk voorkomende radioactieve elementen. Het proces wekt energie op, die de basis vormt van kernenergie – en atoombommen. Het onderzoek van kernfysici omvat over het algemeen een beter begrip van reacties waarin de kern zulke fundamentele veranderingen ondergaat.

Uraniumatomen kunnen in tweeën worden gesplitst (Credit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)

Laura Harkness-Brennan van de Universiteit van Liverpool is gespecialiseerd in de studie van gammastraling – een soort straling die wordt uitgezonden door atomen. Een radioactief atoom van een bepaald type genereert een specifieke vorm van gammastraling. Dat betekent dat je atomen kunt identificeren door alleen de energie van gammastraling te detecteren – en dit is precies wat Harkness-Brennan doet in haar laboratorium.

We hebben niet alleen uitgezocht wat atomen zijn, we hebben ons gerealiseerd dat het wonderbaarlijk complexe structuren zijn

“De soorten detectoren die je zou gebruiken, zijn detectoren waarmee je zowel de aanwezigheid van de straling kunt meten, maar ook de energie van de straling die wordt afgezet”, zegt ze, “En dat komt omdat de kernen allemaal een karakteristieke vingerafdruk hebben.”

Omdat er mogelijk allerlei atomen aanwezig kunnen zijn in een gebied waar straling wordt gedetecteerd, vooral na een of andere grote kernreactie, is het belangrijk om precies weten welke radioactieve isotopen aanwezig zijn. Dit soort detectie wordt vaak gedaan in kerncentrales of gebieden waar kernrampen hebben plaatsgevonden.

Harkness-Brennan en haar collegas werken nu aan detectiesystemen die op dergelijke plaatsen kunnen worden opgezet om te laten zien , in drie dimensies, waar straling aanwezig kan zijn in een bepaalde ruimte. “Wat je wilt, is technieken en hulpmiddelen hebben waarmee je een driedimensionale ruimte kunt afbeelden en je kunt vertellen in die kamer, in die buis, dat daar de straling is”, zegt ze.

Gegeven hoe klein het atoom is, het is verbazingwekkend hoeveel fysica we eruit kunnen halen

Het is ook mogelijk om straling in een “wolkenkamer” te visualiseren. Dit is een bijzonder experiment waarbij alcoholdamp, afgekoeld tot -40C, in een wolk rond een radioactieve bron drijft. Opgeladen stralingsdeeltjes die van de bron wegvliegen, verwijderen de elektronen van alcoholmoleculen. Hierdoor condenseert de alcohol tot vloeistof rond het pad van het uitgestoten deeltje. De resultaten van dit soort detectie zijn werkelijk verbluffend.

We hebben niet alleen uitgezocht wat atomen zijn, we hebben ons gerealiseerd dat het wonderbaarlijk complexe structuren zijn die verbazingwekkende veranderingen kunnen ondergaan – waarvan er vele optreden van nature. En door op deze manier atomen te bestuderen, hebben we onze technologieën kunnen verbeteren, de energie van nucleaire reacties kunnen benutten en de natuurlijke wereld om ons heen beter kunnen begrijpen. We hebben onszelf ook beter kunnen beschermen tegen straling en ontdekken hoe materialen veranderen wanneer ze onder extreme omstandigheden worden geplaatst.

Harkness-Brennan zegt het goed: “Gezien hoe klein het atoom is, is het verbazingwekkend hoeveel fysica we kunnen eruit komen. ”

Alles wat we om ons heen kunnen zien, is gemaakt van deze kleine dingen. Het is goed om te weten dat ze daar beneden zijn, waardoor het allemaal mogelijk is.

Beste antwoord

Antwoord

Geef een reactie Antwoord annuleren