Cel mai bun răspuns
Masa unui atom a unui element este suma totală a masei tuturor protonilor și a tuturor neutronilor. electronii este neglijabil
Există un singur proton și o singură alegere în atomul de hidrogen și nu există neutron
Deci, masa unui atom de hidrogen = masa unui proton + masa de un electron
Toate celelalte elemente au mai mulți protoni și neutroni decât cel al hidrogenului
Prin urmare, hidrogenul este cel mai ușor element din tabelul periodic.
Răspuns
Atomii sunt mici. Într-adevăr, foarte mic. Probabil că ați auzit că materia este formată din pachete din aceste lucruri minuscule. Probabil veți ști, de asemenea, că nu le puteți vedea cu ochiul liber. Ni se spune să luăm încredere în ideea că atomii sunt acolo, interacționând între ei și constituind elemente de bază pentru lumea noastră.
Pentru majoritatea oamenilor, totuși, acest lucru nu este suficient de bun. Știința se mândrește cu modul în care folosește observații reale pentru a elabora misterele universului – așa cum am ajuns la concluzia că atomii există și ce am învățat despre aceste mici structuri?
S-ar putea părea ca și cum ar exista o modalitate simplă de a demonstra că atomii există: puneți-i la microscop. Dar această abordare nu va funcționa. De fapt, chiar și cele mai puternice microscopuri de focalizare a luminii nu pot vizualiza atomi unici. Ceea ce face un obiect vizibil este modul în care deviază undele de lumină vizibile. Atomii sunt cu atât mai mici decât lungimea de undă a luminii vizibile încât cei doi nu interacționează cu adevărat. Cu alte cuvinte, atomii sunt invizibili pentru lumina însăși. Cu toate acestea, atomii au efecte observabile asupra unora dintre lucrurile pe care le putem vedea.
Lumina vizibilă nu poate dezvălui atomi individuali (Credit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Lumina vizibilă nu poate dezvălui atomi individuali (Credit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Cu sute de ani în urmă, în 1785, omul de știință olandez Jan Ingenhousz studia un fenomen ciudat pe care nu-l putea înțelege. Particule minute de praf de cărbune se aruncau la suprafața alcoolului din laboratorul său.
Chiar și cele mai puternice microscopuri de focalizare a luminii nu pot vizualiza atomi singuri
Aproximativ 50 de ani mai târziu , în 1827, botanistul scoțian Robert Brown a descris ceva curios asemănător. El a avut microscopul antrenat pe niște boabe de polen. Brown a observat că unele dintre boabe au eliberat particule minuscule – care s-ar îndepărta apoi de boabele de polen într-un dans aleatoriu agitat.
La început, Brown s-a întrebat dacă particulele sunt într-adevăr un fel de organism necunoscut. El a repetat experimentul cu alte substanțe, cum ar fi praful de rocă, despre care știa că nu este în viață, și a văzut din nou aceeași mișcare ciudată. Einstein a venit și a dezvoltat o formulă matematică care ar prezice acest tip de mișcare foarte particular – numită pe atunci mișcare browniană, după Robert Brown.
Teoria lui Einstein era că particulele din boabele de polen erau în mișcare deoarece se ciocneau în mod constant de milioane de molecule mai mici de apă – molecule care erau formate din atomi.
S-ar putea să fie o surpriză faptul că atomii pot fi descompuși – mai ales că „atomos” înseamnă „indivizibil”
„El explică această mișcare zdruncinată pe care o vedeți ca fiind de fapt cauzată de impactul moleculelor individuale de apă asupra particulelor de praf sau orice altceva aveți asupra lichidului”, explică Harry Cliff la Universitatea din Cambridge, care este și curator la Muzeul de Științe din Londra.
Până în 1908, observațiile susținute cu calcule confirmaseră că atomii erau reali. În aproximativ un deceniu, fizicienii vor putea merge mai departe. Prin separarea atomilor individuali, au început să-și dea seama de structura lor internă.
S-ar putea să fie o surpriză faptul că atomii pot fi defalcați – mai ales că chiar numele atom derivă dintr-un termen grecesc „atomos”. , care înseamnă „indivizibil”. Dar fizicienii știu acum că atomii nu sunt bile mici solide. Este mai bine să ne gândim la ele ca la niște mici sisteme electrice „planetare”. Ele sunt de obicei formate din trei părți principale: protoni, neutroni și electroni. Gândiți-vă la protoni și neutroni ca formând împreună un „soare”, sau nucleu, în centrul sistemului. Electronii orbitează acest nucleu, ca și planetele.
Atomii sunt compuși din particule mai mici (Credit: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Atomii sunt compuși din particule mai mici (Credit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Dacă atomii sunt imposibil de mici, aceste particule subatomice sunt cu atât mai mult cu atât. În mod amuzant, prima particulă descoperită a fost de fapt cea mai mică dintre cele trei – electronul.
Pentru a face o idee despre diferența de mărime aici, protonii din nucleu sunt de fapt de aproximativ 1.830 de ori mai mari decât electronii. . Imaginați-vă o marmură mică care orbitează un balon cu aer cald – acesta este genul de discrepanță despre care vorbim aici.
Este unul dintre primii acceleratori de particule într-un fel
Dar de unde știm că particulele sunt acolo? Răspunsul este pentru că, deși minuscule, pot avea un impact mare. Fizicianul britanic care a descoperit electronii, JJ Thomson, a folosit o metodă deosebit de atrăgătoare pentru a demonstra existența lor în 1897.
Dispozitivul său special s-a numit tub Crookes – o bucată de sticlă amuzantă din care aproape tot aerul a fost aspirat de o mașină. Apoi, o sarcină electrică negativă a fost aplicată la un capăt al tubului. Această încărcare a fost suficientă pentru a îndepărta moleculele de gaz rămase în tub de unii dintre electronii lor. Electronii sunt încărcați negativ, așa că au zburat pe tub spre celălalt capăt. Datorită vidului parțial, acei electroni au reușit să tragă prin tub fără ca niște atomi mari să se împiedice.
Încărcarea electrică a făcut ca electronii să se miște foarte repede – în jur de 59.500 de kilometri pe secundă pe secundă) – până când au izbucnit în pahar la capătul îndepărtat, dând în tot mai mulți electroni asociați cu atomii de acolo. În mod uimitor, ciocnirile dintre aceste particule minunate și minunate au generat atât de multă energie încât a creat o strălucire fantastică de culoare verde-galben.
Un tub Crookes cu metal în formă de cruce malteză (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Un tub Crookes cu metal în formă de cruce malteză (Credit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
„Este unul dintre primii acceleratori de particule într-un fel”, spune Cliff. „Accelerează electronii de la un capăt la altul al tubului și lovesc ecranul la celălalt capăt și dau această strălucire fosforescentă.”
Descoperirea electronului a sugerat că mai erau multe de învățat despre atomi
Deoarece Thomson a descoperit că poate direcționa fasciculele de electroni cu magneți și câmpuri electrice, știa că nu erau doar raze de lumină ciudate – trebuiau să fie particule încărcate.
Și dacă vă întrebați cum acești electroni ar putea zbura independent de atomii lor, asta se datorează unui proces numit ionizare, în care – în acest caz – o sarcină electrică schimbă structura atomului împingând acei electroni în spațiul din jur.
De fapt, se datorează faptului că electronii sunt atât de ușor de manipulat și deplasat în jurul valorii încât circuitele electrice sunt posibile. Electronii dintr-un fir de cupru se deplasează într-o mișcare asemănătoare unui tren de la un atom de cupru la următorul – și este cel care transportă sarcina prin fir până la celălalt capăt. Atomii, merită menționați din nou, nu sunt mici bucăți solide de materie, ci sisteme care pot fi modificate sau pot suferi modificări structurale.
Becurile luminează din cauza fluxului de electroni (Credit: Feng Yu / Alamy Stock Foto)
Becurile strălucesc datorită fluxului de electroni (Credit: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Dar descoperirea electronului a sugerat că mai erau multe de învățat despre atomi. Lucrarea lui Thomson a dezvăluit că electronii sunt încărcați negativ – dar știa că atomii înșiși nu aveau nicio încărcare generală. El a argumentat că trebuie să conțină particule misterioase încărcate pozitiv pentru a anula electronii încărcați negativ.
El a demonstrat existența unui nucleu dens în atom
Experimente la începutul anului 20 Century a identificat acele particule încărcate pozitiv și, în același timp, a dezvăluit structura internă a atomului ca un sistem solar.
Ernest Rutherford și colegii săi au luat folie de metal foarte subțire și au pus-o sub un fascicul de radiații încărcate pozitiv – o flux de particule mici. Majoritatea radiațiilor puternice au navigat direct, așa cum a crezut Rutherford, având în vedere cât de subțire a fost folia. Dar, în mod surprinzător, unele dintre ele au revenit.
Rutherford a argumentat că atomii din folia metalică trebuie să conțină zone mici, dense, cu o sarcină pozitivă – nimic altceva nu ar avea potențialul de a reflecta radiația la o putere atât de puternică. grad. El găsise încărcăturile pozitive din atom – și dovedise simultan că erau toate grupate împreună într-o masă strânsă într-un mod în care electronii nu sunt. Cu alte cuvinte, el demonstrase existența unui nucleu dens în interiorul atomului.
Fizicianul Cambridge James Chadwick era disperat să descopere neutronul
Cu toate acestea, a existat încă o problemă. Până acum, masa atomilor ar putea fi estimată. Dar având în vedere ceea ce se știa despre cât de grea ar trebui să fie o particulă din nucleu, ideea că toate acestea erau încărcate pozitiv nu avea sens.
„Carbonul are șase electroni și, prin urmare, șase protoni în nucleu – șase taxe pozitive și șase taxe negative ”, explică Cliff. „Dar nucleul de carbon nu cântărește șase protoni, cântărește [echivalentul] a 12 protoni.”
La început s-a crezut că celelalte șase particule nucleare ar avea aceeași masă ca protonii, dar ar fi încărcat neutru: neutroni. Dar nimeni nu a putut dovedi acest lucru. De fapt, neutronii nu au fost de fapt descoperiți până în anii 1930.
Totul din jurul nostru este format din atomi (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Totul din jurul nostru este format din atomi (Credit: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Fizicianul Cambridge James Chadwick era disperat să descopere neutronul. Lucra la teorie de ani de zile. În 1932, a făcut o descoperire.
În anii 1930 am aflat multe despre atomi, dar nimeni nu a produs o imagine directă a unuia
Cu câțiva ani mai devreme, alți fizicieni experimentaseră radiațiile. Au tras radiații încărcate pozitiv – de același tip pe care Rutherford îl folosise pentru a descoperi nucleul – asupra atomilor de beriliu. Beriliu a dat afară radiații proprii: radiații care nu erau încărcate nici pozitiv, nici negativ și care puteau pătrunde departe prin material.
În acest moment, alții au aflat deja că radiația gamma era neutră și profund penetrantă. , deci fizicienii au presupus că acest lucru eliberează atomii de beriliu. Dar Chadwick nu a fost convins.
El a generat el însuși o parte din noua radiație și a îndreptat-o către o substanță despre care știa că era bogată în protoni. În mod neașteptat, protonii au fost aruncați în aer departe de material ca și cum ar fi fost loviți de particule cu aceeași masă – cum ar fi bilele de snooker lovite de alte bile de snooker.
Radiațiile gamma nu pot devia protonii în acest fel, așa că Chadwick și-a dat seama că particulele în cauză trebuie să aibă aceeași masă ca și protonul, dar nu au sarcina sa electrică: erau neutroni.
Toți biții cheie ai atomului fuseseră descoperiți, dar povestea nu se oprește aici.
Puteți chiar să aflați cum arată atomii aruncându-i cu ochiul
Deși am aflat mult mai multe despre atomi decât am avut înainte, ei erau încă dificil de vizualizat. Și în anii 1930, nimeni nu a produs o imagine directă a uneia – ceea ce mulți oameni ar dori să vadă pentru a accepta cu adevărat că sunt acolo.
Este important, totuși, tehnicile care au fost folosite de oameni de știință precum Thomson, Rutherford și Chadwick, ar deschide calea către noi echipamente care, în cele din urmă, ne vor ajuta să producem aceste imagini. Fasciculele de electroni generate de Thomson în experimentul său cu tubul Crookes s-au dovedit deosebit de utile.
Astăzi fasciculele similare sunt generate de microscopii electronici, iar cel mai puternic dintre acești microscopi poate crea de fapt imagini ale atomilor individuali. Acest lucru se datorează faptului că un fascicul de electroni poate avea o lungime de undă de mii de ori mai scurtă decât un fascicul de lumină – atât de scurt, de fapt, încât undele de electroni pot fi deviate de atomi mici pentru a genera o imagine într-un mod în care fasciculele de lumină nu pot. P>
Neal Skipper de la University College London spune că astfel de imagini sunt utile pentru persoanele care doresc să studieze structura atomică a substanțelor speciale – de exemplu, cele utilizate la fabricarea bateriilor pentru mașinile electrice. Cu cât știm mai multe despre structura lor atomică, cu atât le putem proiecta mai bine pentru a fi eficiente și fiabile.
Microscoapele cu forță atomică ne pot arăta atomi individuali (Credit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Microscoapele cu forță atomică ne pot arăta atomi individuali (Credit: Flirt / Alamy Stock Photo)
Puteți chiar să aflați cum arată atomii aruncându-i spre ei. Acesta este în esență modul în care funcționează microscopia cu forță atomică.
Într-un lichid, pe măsură ce îl încălziți, puteți vedea că atomii au configurații mai dezordonate
Ideea este să aduceți vârful o sondă extrem de mică, aproape de suprafața unei molecule sau a suprafeței unui material. În astfel de zone apropiate, sonda va fi sensibilă la structura chimică a oricărui lucru îndreptat spre el, iar schimbarea rezistenței pe măsură ce se deplasează pe ea permite oamenilor de știință să producă imagini despre cum arată, de exemplu, o moleculă individuală.
Recent, cercetătorii au publicat imagini minunate ale unei molecule înainte și după o reacție chimică folosind această metodă.
Skipper adaugă că o mulțime de cercetări atomice explorează astăzi modul în care structura lucrurilor se schimbă atunci când o presiune ridicată , sau temperatura extremă, se aplică. Majoritatea oamenilor știu că atunci când un material este încălzit, acesta se extinde adesea. Acum este posibil să detectăm schimbările atomice care fac acest lucru posibil.
„Într-un lichid, pe măsură ce îl încălziți, puteți vedea că atomii au configurații mai dezordonate”, spune Skipper. „Puteți vedea asta direct de pe harta structurală.”
Skipper și alți fizicieni pot lucra și la atomi folosind fasciculele de neutroni identificate pentru prima dată de Chadwick în anii 1930.
Puteți identifica atomii prin detectarea singură a energiei razelor gamma
„Ceea ce facem mult este să tragem fascicule de neutroni la bucăți de materiale și din tiparul de împrăștiere care apare, vă puteți da seama că ați împrăștiat neutroni din nucleu „, spune el. „Puteți calcula masa și dimensiunea brută a obiectului care a făcut împrăștierea.”
Dar atomii nu sunt întotdeauna doar așezați acolo, stabili calm, și așteaptă să fie examinați. Uneori sunt în descompunere – ceea ce înseamnă că sunt radioactivi.
Există o mulțime de elemente radioactive naturale. Procesul generează energie, care stă la baza puterii nucleare – și a bombelor nucleare. Cercetările fizicienilor nucleari implică, în general, încercarea de a înțelege mai bine reacțiile în care nucleul suferă modificări fundamentale ca acestea.
Atomii de uraniu se pot împărți în doi (Credit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Atomii de uraniu se pot împărți în doi (Credit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan de la Universitatea din Liverpool este specializată în studiul razelor gamma – un tip de radiație emisă prin descompunere atomi. Un atom radioactiv de un anumit tip generează o formă specifică de rază gamma. Asta înseamnă că puteți identifica atomii detectând singură energia razelor gamma – și exact asta face Harkness-Brennan în laboratorul ei.
Nu am aflat doar ce sunt atomii, ne-am dat seama că că sunt structuri minunat de complexe
„Tipurile de detectoare pe care le-ați folosi sunt detectoare care vă permit să măsurați atât prezența radiației, cât și energia radiației care este depusă”, spune ea, „Și asta pentru că nucleele au toate o amprentă caracteristică.”
Deoarece ar putea exista tot felul de atomi prezenți într-o zonă în care radiația este detectată, mai ales după o reacție nucleară mare de un fel, este important să cunoașteți exact ce izotopi radioactivi sunt prezenți. Acest tip de detectare se face în mod obișnuit în centralele nucleare sau în zonele în care au fost dezastre nucleare.
Harkness-Brennan și colegii ei lucrează acum la sisteme de detectare care pot fi instalate în astfel de locuri pentru a le arăta , în trei dimensiuni, unde radiația ar putea fi prezentă într-o anumită cameră. „Ceea ce doriți să faceți este să aveți tehnici și instrumente care vă permit să imaginați un spațiu tridimensional și să vă spuneți în acea cameră, în acea conductă, acolo este radiația”, spune ea.
Având în vedere cât de mic este atomul este uimitor cât de multă fizică putem scoate din el
De asemenea, este posibil să vizualizăm radiația într-o „cameră de nor”. Acesta este un experiment special în care vaporii de alcool, răciti la -40C, se îndreaptă într-un nor în jurul unei surse radioactive. Particulele încărcate de radiații care zboară departe de sursă elimină electronii din moleculele de alcool. Acest lucru face ca alcoolul să se condenseze în lichid în jurul căii particulei emise. Rezultatele acestui tip de detectare sunt într-adevăr destul de uimitoare.
Nu am aflat doar ce sunt atomii, ne-am dat seama că sunt structuri minunate de complexe care pot suferi modificări uimitoare – dintre care multe apar natural. Și studiind astfel atomii, am reușit să ne îmbunătățim tehnologiile, să valorificăm energia reacțiilor nucleare și să înțelegem mai bine lumea naturală din jurul nostru. De asemenea, am reușit să ne protejăm mai bine de radiații și să descoperim cum se schimbă materialele atunci când sunt plasate în condiții extreme.
Harkness-Brennan spune bine: „Având în vedere cât de mic este atomul este uimitor cât de multă fizică suntem poate ieși din el. ”
Tot ce putem vedea în jurul nostru este făcut din aceste lucruri mici. Este bine să știm că sunt acolo jos, făcând totul posibil.