Najlepsza odpowiedź
Masa atomu pierwiastka to suma mas wszystkich protonów i wszystkich neutronów. elektrony są pomijalne
W atomie wodoru jest pojedynczy proton i pojedyncza elekcja, a nie ma neutronu
Zatem masa atomu wodoru = masa jednego protonu + masa jeden elektron
Wszystkie inne pierwiastki mają więcej protonów i neutronów niż wodór
Dlatego wodór jest najlżejszym pierwiastkiem w układzie okresowym.
Odpowiedź
Atomy są małe. Naprawdę, naprawdę mały. Prawdopodobnie słyszałeś, że materia składa się z wiązek tych małych rzeczy. Zapewne wiesz też, że nie widać ich gołym okiem. Mówi się nam, że powinniśmy zaufać idei, że atomy istnieją, oddziałują ze sobą i stanowią budulec naszego świata.
Jednak dla większości ludzi to nie wystarczy. Nauka szczyci się tym, że wykorzystuje rzeczywiste obserwacje do rozwiązania tajemnic wszechświata – więc jak doszliśmy do wniosku, że atomy istnieją i czego nauczyliśmy się o tych maleńkich strukturach?
Może się wydawać jakby istniał prosty sposób udowodnienia istnienia atomów: umieść je pod mikroskopem. Ale to podejście nie zadziała. W rzeczywistości nawet najpotężniejsze mikroskopy skupiające światło nie są w stanie wizualizować pojedynczych atomów. To, co sprawia, że obiekt jest widoczny, to sposób, w jaki odchyla on widoczne fale świetlne. Atomy są o wiele mniejsze niż długość fali światła widzialnego, że tak naprawdę nie oddziałują. Innymi słowy, atomy są niewidoczne, aby się zapalić. Jednak atomy mają obserwowalny wpływ na niektóre rzeczy, które widzimy.
Światło widzialne nie może ujawnić pojedynczych atomów (Źródło: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Światło widzialne nie może ujawnić pojedyncze atomy (Źródło: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Setki lat temu, w 1785 roku, holenderski naukowiec Jan Ingenhousz badał dziwne zjawisko, którego nie potrafił zrozumieć. Drobne cząsteczki pyłu węglowego biegały po powierzchni jakiegoś alkoholu w jego laboratorium.
Nawet najpotężniejsze mikroskopy skupiające światło nie potrafią wizualizować pojedynczych atomów
Około 50 lat później w 1827 roku szkocki botanik Robert Brown opisał coś dziwnie podobnego. Przetestował mikroskop na ziarenkach pyłku. Brown zauważył, że niektóre ziaren uwalniały drobne cząsteczki – które następnie odsuwały się od ziaren pyłku w przypadkowym, roztrzęsionym tańcu.
Początkowo Brown zastanawiał się, czy cząsteczki są naprawdę jakimś nieznanym organizmem. Powtórzył eksperyment z innymi substancjami, takimi jak pył skalny, o którym wiedział, że nie jest żywy, i ponownie zobaczył ten sam dziwny ruch.
Naukowcy zajęliby prawie kolejne stulecia, by udzielić wyjaśnienia. Einstein pojawił się i opracował formułę matematyczną, która przewidywałaby ten szczególny rodzaj ruchu – zwany wówczas ruchami Browna, na cześć Roberta Browna.
Teoria Einsteina głosiła, że cząstki z ziaren pyłku były przemieszczane ponieważ nieustannie rozbijały się o miliony mniejszych cząsteczek wody – cząsteczek zbudowanych z atomów.
Zaskakujące może być to, że atomy można rozbić – zwłaszcza, że „atomos” oznacza „niepodzielne”
„Wyjaśnia ten drżący ruch, który widzisz jako faktycznie spowodowany wpływem pojedynczych cząsteczek wody na cząsteczki kurzu lub cokolwiek innego, co masz na swojej cieczy” – wyjaśnia Harry Cliff w University of Cambridge, który jest także kuratorem w Londons Science Museum.
Do 1908 roku obserwacje poparte obliczeniami potwierdziły, że atomy są prawdziwe. W ciągu około dziesięciu lat fizycy byliby w stanie pójść dalej. Rozbijając poszczególne atomy, zaczęli rozumieć ich wewnętrzną strukturę.
Może zaskoczyć fakt, że atomy można rozbijać – zwłaszcza że sama nazwa atom pochodzi od greckiego terminu „atomos” , co oznacza „niepodzielny”. Ale fizycy wiedzą teraz, że atomy nie są stałymi kulkami. Lepiej jest myśleć o nich jako o małych układach elektrycznych, „planetarnych”. Zwykle składają się z trzech głównych części: protonów, neutronów i elektronów. Wyobraź sobie, że protony i neutrony tworzą razem „słońce” lub jądro w środku układu. Elektrony krążą wokół tego jądra, podobnie jak planety.
Atomy składają się z mniejszych cząstek (źródło: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Atomy składają się z mniejszych cząstek (Źródło : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Jeśli atomy są niemożliwie małe, te subatomowe cząstki są jeszcze większe. Co zabawne, pierwsza odkryta cząstka była w rzeczywistości najmniejszą z tych trzech – elektronem.
Aby zrozumieć różnicę rozmiarów, protony w jądrze są w rzeczywistości około 1830 razy większe od elektronów. . Wyobraź sobie mały marmur krążący wokół balonu na ogrzane powietrze – to rodzaj rozbieżności, o którym tutaj mówimy.
Jest to w pewnym sensie jeden z pierwszych akceleratorów cząstek
Ale skąd wiemy, że te cząstki tam są? Odpowiedź brzmi: chociaż są małe, mogą mieć duży wpływ. Brytyjski fizyk, który odkrył elektrony, JJ Thomson, użył szczególnie przyciągającej wzrok metody, aby udowodnić ich istnienie w 1897 roku.
Jego specjalne urządzenie nazywało się rurką Crookesa – kawałkiem szkła o zabawnym kształcie, z którego prawie całe powietrze zostało zasysane przez maszynę. Następnie na jeden koniec rurki przyłożono ujemny ładunek elektryczny. Ładunek ten wystarczył, aby pozbawić pozostałe cząsteczki gazu w tubie niektórych elektronów. Elektrony są naładowane ujemnie, więc leciały w dół rury w kierunku drugiego końca. Dzięki częściowej próżni elektrony były w stanie przebić się przez rurę bez żadnych dużych atomów wchodzących im w drogę.
Ładunek elektryczny sprawił, że elektrony poruszały się bardzo szybko – około 37 000 mil na sekundę (59 500 kilometrów na sekundę) – aż uderzyły w szkło na drugim końcu, uderzając w jeszcze więcej elektronów związanych z atomami. O dziwo, zderzenia między tymi zadziwiająco małymi cząstkami wygenerowały tak dużo energii, że stworzyły fantastyczną zielono-żółtą poświatę.
Rurka Crookesa z maltańskim metalem w kształcie krzyża (Źródło: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Rurka Crookesa z maltańskim metalem w kształcie krzyża (Źródło: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
„Jest to w pewnym sensie jeden z pierwszych akceleratorów cząstek” – mówi Cliff. „Przyspiesza elektrony z jednego końca rury na drugi, a one uderzają w ekran z drugiego końca i dają tę fosforyzującą poświatę.”
Odkrycie elektronu sugeruje, że można dowiedzieć się więcej o atomach
Ponieważ Thomson odkrył, że faktycznie może sterować wiązkami elektronów za pomocą magnesów i pól elektrycznych, wiedział, że nie były to tylko dziwne promienie światła – musiały to być naładowane cząstki.
A jeśli zastanawiasz się, w jaki sposób te elektrony mogą latać niezależnie od swoich atomów, to z powodu procesu zwanego jonizacją, w którym – w tym przypadku – ładunek elektryczny zmienia strukturę atomu, wypychając te elektrony w przestrzeń wokół.
W rzeczywistości to dlatego, że elektrony są tak łatwe do manipulowania i przemieszczania, że obwody elektryczne są możliwe. Elektrony w drucie miedzianym przemieszczają się ruchem przypominającym pociąg od jednego atomu miedzi do drugiego – i to właśnie ten ładunek przenosi ładunek przez drut na drugi koniec. Warto jeszcze raz zauważyć, że atomy nie są stałymi, małymi kawałkami materii, ale układami, które mogą być modyfikowane lub ulegać zmianom strukturalnym.
Żarówki świecą z powodu przepływu elektronów (Źródło: Feng Yu / Alamy Stock Zdjęcie)
Żarówki świecą się z powodu przepływu elektronów (Źródło: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Jednak odkrycie elektronu sugeruje, że można dowiedzieć się więcej o atomach. Praca Thomsona ujawniła, że elektrony są naładowane ujemnie – ale wiedział, że same atomy nie mają ładunku całkowitego. Doszedł do wniosku, że muszą one zawierać tajemnicze dodatnio naładowane cząstki, aby wyeliminować ujemnie naładowane elektrony.
Wykazał istnienie gęstego jądra w atomie
Eksperymenty na początku XX wieku Century zidentyfikował te dodatnio naładowane cząstki i jednocześnie ujawnił strukturę wewnętrzną atomu podobną do układu słonecznego.
Ernest Rutherford i jego koledzy wzięli bardzo cienką metalową folię i umieścili ją pod wiązką dodatnio naładowanego promieniowania – strumień małych cząstek. Większość potężnego promieniowania przepłynęła przez niego, tak jak sądził Rutherford, biorąc pod uwagę, jak cienka była folia. Ale, co zaskakujące, część odbiła się.
Rutherford uznał, że atomy w metalowej folii muszą zawierać małe, gęste obszary z ładunkiem dodatnim – nic innego nie mogłoby odbijać promieniowania do tak silnego stopień. Znalazł dodatnie ładunki w atomie – i jednocześnie udowodnił, że są one wszystkie zebrane razem w zwartą masę w sposób, w jaki elektrony nie są. Innymi słowy, wykazał istnienie gęstego jądra w atomie.
Fizyk z Cambridge, James Chadwick, desperacko chciał odkryć neutron
Jednak nadal był problem. Do tej pory można było oszacować masę atomów. Ale biorąc pod uwagę to, co było wiadomo o tym, jak ciężka powinna być cząstka w jądrze, pomysł, że wszystkie były naładowane dodatnio, nie miał sensu.
„Węgiel ma sześć elektronów, a zatem sześć protonów w jądrze – sześć ładunków dodatnich i sześć ładunków ujemnych ”- wyjaśnia Cliff. „Ale jądro węgla nie waży sześciu protonów, waży [odpowiednik] 12 protonów”.
Na początku sądzono, że pozostałe sześć cząstek jądrowych będzie miało taką samą masę jak protony, ale będzie neutralnie naładowane: neutrony. Ale nikt nie mógł tego udowodnić. W rzeczywistości neutrony zostały odkryte dopiero w latach trzydziestych XX wieku.
Wszystko wokół nas jest zrobione z atomów (zdjęcie: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Wszystko wokół nas jest zrobione z atomów (źródło: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Fizyk z Cambridge James Chadwick desperacko chciał odkryć neutron. Od lat pracował nad tą teorią. W 1932 roku dokonał przełomu.
W latach trzydziestych wiele odkryliśmy na temat atomów, ale nikt nie stworzył ich bezpośredniego obrazu.
Kilka lat wcześniej inni fizycy eksperymentowali z promieniowaniem. Wystrzelili dodatnio naładowane promieniowanie – takie samo, jakiego Rutherford użył do odkrycia jądra – w atomy berylu. Beryl wyrzucał własne promieniowanie: promieniowanie, które nie było ani dodatnio, ani ujemnie naładowane i które mogło przenikać daleko przez materiał.
Do tego czasu inni już odkryli, że promieniowanie gamma jest neutralne i głęboko penetrujące , więc fizycy założyli, że to właśnie uwalniają atomy berylu. Ale Chadwick nie był przekonany.
Sam wygenerował część nowego promieniowania i skierował je na substancję, o której wiedział, że jest bogata w protony. Nieoczekiwanie protony zostały wyrzucone w powietrze z dala od materiału, tak jakby zostały uderzone cząstkami o tej samej masie – jak kule snookera uderzane przez inne kule snookera.
Promieniowanie gamma nie może odbić protonów w ten sposób Chadwick zdał sobie sprawę, że omawiane tu cząstki muszą mieć taką samą masę jak proton, ale brak im ładunku elektrycznego: były to neutrony.
Wszystkie kluczowe bity atomu zostały już odgadnięte, ale historia nie kończy się na tym.
Możesz nawet sprawdzić, jak wyglądają atomy, szturchając je
Chociaż dowiedzieliśmy się znacznie więcej o atomach niż wcześniej, one były nadal trudne do wizualizacji. W latach trzydziestych nikt nie stworzył bezpośredniego obrazu takiej osoby – co wielu ludzi chciałoby zobaczyć, aby naprawdę zaakceptować, że tam są.
Jednak co ważne, techniki, które został użyty przez naukowców takich jak Thomson, Rutherford i Chadwick, utorowałoby drogę dla nowego sprzętu, który ostatecznie pomógłby nam w tworzeniu tych obrazów. Wiązki elektronów, które Thomson wygenerował w swoim eksperymencie z lampą Crookesa, okazały się szczególnie przydatne.
Obecnie podobne wiązki są generowane przez mikroskopy elektronowe, a najpotężniejsze z tych mikroskopów mogą w rzeczywistości tworzyć obrazy pojedynczych atomów. Dzieje się tak, ponieważ wiązka elektronów może mieć długość fali tysiące razy krótszą niż wiązka światła – w rzeczywistości tak krótka, że fale elektronów mogą być odchylane przez maleńkie atomy, aby wygenerować obraz w sposób, którego nie potrafią wiązki światła.
Neal Skipper z University College London twierdzi, że takie obrazy są przydatne dla osób, które chcą zbadać strukturę atomową specjalnych substancji – na przykład tych używanych do produkcji akumulatorów do samochodów elektrycznych. Im więcej wiemy o ich strukturze atomowej, tym lepiej możemy je zaprojektować tak, aby były wydajne i niezawodne.
Mikroskopy sił atomowych mogą pokazywać nam pojedyncze atomy (Źródło: Flirt / Alamy Stock Photo)
Mikroskopy sił atomowych mogą pokazywać nam pojedyncze atomy (zdjęcie: Flirt / Alamy Stock Photo)
Możesz nawet sprawdzić, jak wyglądają atomy, szturchając je. Tak właśnie działa mikroskopia sił atomowych.
W cieczy, gdy ją podgrzewasz, możesz zobaczyć, że atomy mają bardziej nieuporządkowane konfiguracje.
Chodzi o to, aby niezwykle mała sonda blisko powierzchni cząsteczki lub powierzchni materiału. Z tak małej odległości sonda będzie wrażliwa na strukturę chemiczną tego, na co jest wskazywana, a zmiana oporu, gdy się po niej porusza, pozwala naukowcom tworzyć obrazy tego, jak na przykład wygląda pojedyncza cząsteczka.
Niedawno naukowcy opublikowali wspaniałe obrazy cząsteczki przed i po reakcji chemicznej przy użyciu tej metody.
Skipper dodaje, że wiele dzisiejszych badań atomowych bada, jak zmienia się struktura rzeczy, gdy wysokie ciśnienie lub ekstremalna temperatura. Większość ludzi wie, że gdy materiał jest podgrzewany, często rozszerza się. Teraz można wykryć zachodzące zmiany atomowe, które to umożliwiają.
„W cieczy, gdy ją podgrzewasz, możesz zobaczyć, że atomy mają bardziej nieuporządkowane konfiguracje” – mówi Skipper. „Możesz to zobaczyć bezpośrednio na mapie strukturalnej”.
Skipper i inni fizycy mogą również pracować nad atomami, używając wiązek neutronów zidentyfikowanych po raz pierwszy przez Chadwicka w latach trzydziestych XX wieku.
Możesz zidentyfikować atomów, wykrywając energię samych promieni gamma
„To, co robimy często, to wystrzeliwanie wiązek neutronów w bryłki materiałów, a na podstawie wzoru rozpraszania, który się pojawia, możesz dowiedzieć się, że rozpraszałeś neutrony z jądro ”- mówi. „Możesz obliczyć masę i przybliżony rozmiar obiektu, który rozpraszał”.
Ale atomy nie zawsze stoją tam, spokojnie stabilnie, czekając na zbadanie. Czasami się rozpadają – co oznacza, że są radioaktywne.
Istnieje wiele naturalnie występujących pierwiastków promieniotwórczych. Proces generuje energię, która stanowi podstawę energii jądrowej – i bomb atomowych. Badania fizyków jądrowych zazwyczaj polegają na próbie lepszego zrozumienia reakcji, w których jądro ulega fundamentalnym zmianom, takim jak te.
Atomy uranu można podzielić na dwie (Źródło: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Atomy uranu można podzielić na dwie części (Źródło: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan z Uniwersytetu w Liverpoolu specjalizuje się w badaniach nad promieniowaniem gamma – rodzajem promieniowania emitowanego przez rozpad atomy. Atom radioaktywny danego typu generuje określoną postać promieniowania gamma. Oznacza to, że możesz identyfikować atomy, wykrywając energię samych promieni gamma – i właśnie to robi Harkness-Brennan w swoim laboratorium.
Nie tylko odkryliśmy, czym są atomy, zdaliśmy sobie sprawę że są to cudownie złożone struktury
„Typy detektorów, których można by użyć, to detektory, które pozwalają mierzyć zarówno obecność promieniowania, jak i energię deponowanego promieniowania” – mówi. „A to dlatego, że wszystkie jądra mają charakterystyczny odcisk palca”.
Ponieważ w obszarze, w którym wykrywane jest promieniowanie, mogą znajdować się różnego rodzaju atomy, szczególnie po jakiejś dużej reakcji jądrowej, ważne jest, aby wiedzieć dokładnie, jakie radioaktywne izotopy są obecne. Ten rodzaj wykrywania jest powszechnie wykonywany w elektrowniach jądrowych lub na obszarach, na których miały miejsce katastrofy jądrowe.
Harkness-Brennan i jej współpracownicy pracują teraz nad systemami wykrywania, które można ustawić w takich miejscach, aby pokazać , w trzech wymiarach, w których promieniowanie może występować w określonym pomieszczeniu. „To, co chcesz zrobić, to mieć techniki i narzędzia, które pozwolą ci wyobrazić sobie trójwymiarową przestrzeń i powiedz ci, że w tym pokoju, w tej rurze, tam jest promieniowanie” – mówi.
jak mały jest atom, to niesamowite, ile fizyki możemy z niego wydobyć
Możliwe jest również wizualizowanie promieniowania w „komorze chmurowej”. To specjalny eksperyment, w którym opary alkoholu schłodzone do -40 ° C dryfują w chmurze wokół radioaktywnego źródła. Naładowane cząsteczki promieniowania odlatujące od źródła usuwają elektrony z cząsteczek alkoholu. To sprawia, że alkohol skrapla się w ciecz wokół ścieżki emitowanej cząstki. Wyniki tego typu wykrywania są naprawdę oszałamiające.
Nie tylko odkryliśmy, czym są atomy, ale zdaliśmy sobie sprawę, że są to cudownie złożone struktury, które mogą podlegać niesamowitym zmianom – z których wiele zachodzi naturalnie. Badając w ten sposób atomy, byliśmy w stanie ulepszyć nasze technologie, wykorzystać energię reakcji jądrowych i lepiej zrozumieć otaczający nas świat przyrody. Udało nam się również lepiej chronić się przed promieniowaniem i odkryć, jak zmieniają się materiały, gdy znajdują się w ekstremalnych warunkach.
Harkness-Brennan dobrze to ujmuje: „Biorąc pod uwagę, jak mały jest atom, jest to niesamowite, jak bardzo mamy fizykę można się z tego wydostać ”.
Wszystko, co widzimy wokół nas, składa się z tych małych rzeczy. Dobrze jest wiedzieć, że tam są, dzięki czemu wszystko jest możliwe.