Vilken atom är den lättaste?

Bästa svaret

Massan av en grundämnes atom är summan av massan av alla protoner och för alla neutronernas massa elektronerna är försumbara

Det finns en enda proton och ett enda val i väteatom och det finns ingen neutron

Så, massan av en väteatom = massa av en proton + massa av en elektron

Alla andra element har fler protoner och neutroner än väte

Därför är väte det lättaste elementet i det periodiska systemet.

Svar

Atomer är små. Verkligen, riktigt liten. Du har antagligen hört att saken är gjord av buntar av dessa små saker. Du kommer sannolikt också att veta att du inte kan se dem med blotta ögat. Vi uppmanas att ta tillit till idén att atomer finns där, interagerar med varandra och är byggstenar för vår värld.

För de flesta är det dock inte tillräckligt. Vetenskapen är stolt över hur den använder verkliga observationer för att ta reda på universums mysterier – så hur kom vi till slutsatsen att atomer finns, och vad har vi lärt oss om dessa små strukturer?

Det kan tyckas som om det finns ett enkelt sätt att bevisa att det finns atomer: sätt dem under mikroskopet. Men detta tillvägagångssätt fungerar inte. Faktum är att även de kraftfullaste ljusfokuseringsmikroskopen inte kan visualisera enskilda atomer. Det som gör ett föremål synligt är hur det avböjer synliga ljusvågor. Atomer är så mycket mindre än våglängden för synligt ljus att de två inte riktigt interagerar. För att uttrycka det på ett annat sätt är atomer osynliga för att tända sig själva. Atomer har dock observerbara effekter på några av de saker vi kan se.

Synligt ljus kan inte avslöja enskilda atomer (kredit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)

Synligt ljus kan inte avslöja individuella atomer (kredit: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)

För hundratals år sedan 1785 studerade den holländska forskaren Jan Ingenhousz ett konstigt fenomen som han inte riktigt kunde förstå. Minutliga partiklar av kolstoft drev omkring på ytan av alkohol i hans laboratorium.

Även de mest kraftfulla ljusfokuseringsmikroskopen kan inte visualisera enskilda atomer

Cirka 50 år senare 1827 beskrev den skotska botanisten Robert Brown något märkligt liknande. Han fick sitt mikroskop utbildat på några pollenkorn. Brown märkte att några av kornen släppte ut små partiklar – som sedan skulle flytta bort från pollenkornet i en slumpmässig skakig dans.

Först undrade Brown om partiklarna verkligen var någon form av okänd organism. Han upprepade experimentet med andra ämnen som bergsdamm, som han visste inte levde och såg samma konstiga rörelse igen.

Det skulle ta nästan ett århundrade för vetenskapen att ge en förklaring. Einstein kom och utvecklade en matematisk formel som skulle förutsäga denna mycket speciella typ av rörelse – då kallad Brownian-rörelse, efter Robert Brown.

Einsteins teori var att partiklarna från pollenkornen flyttades runt eftersom de ständigt kraschade i miljontals tunnare molekyler med vatten – molekyler som var gjorda av atomer.

Det kan komma som en överraskning att atomer kan brytas ner – särskilt eftersom ”atomos” betyder ”odelbar”

“Han förklarar den här rörelsen som du ser faktiskt orsakas av inverkan av enskilda vattenmolekyler på dammpartiklarna eller vad du än har på din vätska,” förklarar Harry Cliff vid University of Cambridge, som också är kurator vid Londons Science Museum.

År 1908 bekräftade observationer med beräkningar att atomer var verkliga. Inom ungefär ett decennium skulle fysiker kunna gå längre. Genom att dra ifrån varandra enskilda atomer började de få en känsla av deras inre struktur.

Det kan komma som en överraskning att atomer kan brytas ner – särskilt eftersom själva namnet atom härstammar från en grekisk term ”atomos”. , vilket betyder ”odelbar”. Men fysiker vet nu att atomer inte är solida små bollar. Det är bättre att tänka på dem som små elektriska, ”planetära” system. De består vanligtvis av tre huvuddelar: protoner, neutroner och elektroner. Tänk på protonerna och neutronerna som tillsammans bildar en ”sol” eller kärna i centrum av systemet. Elektronerna kretsar kring denna kärna, liksom planeter.

Atomer består av mindre partiklar (kredit: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)

Atomer består av mindre partiklar (Credit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)

Om atomer är omöjligt små är dessa subatomära partiklar ännu mer. Roligt nog var den första partikeln som upptäcktes faktiskt den minsta av de tre – elektronen.

För att få en uppfattning om storleksskillnaden här är protoner i kärnan faktiskt cirka 1830 gånger så stora som elektroner . Föreställ dig en liten marmor som kretsar kring en luftballong – det är den typ av avvikelse vi pratar om här.

Det är en av de första partikelacceleratorerna på ett sätt

Men hur vet vi att dessa partiklar finns? Svaret beror på att även om de är små kan de ha stor inverkan. Den brittiska fysikern som upptäckte elektroner, JJ Thomson, använde en särskilt iögonfallande metod för att bevisa deras existens 1897.

Hans speciella anordning kallades ett Crookes-rör – en rolig formad bit glas där nästan all luft sugs av en maskin. Därefter applicerades en negativ elektrisk laddning på ena änden av röret. Denna laddning var tillräcklig för att ta bort de återstående gasmolekylerna i röret på några av deras elektroner. Elektroner är negativt laddade, så de flög ner röret mot den andra änden. Tack vare det partiella vakuumet kunde dessa elektroner skjuta genom röret utan att några stora atomer hamnade i vägen.

Den elektriska laddningen fick elektronerna att röra sig väldigt snabbt – cirka 37500 miles per sekund (59.500 kilometer per sekund) – tills de slog in i glaset längst bort och knackade på ännu fler elektroner associerade med atomerna där. Otroligt nog genererade kollisionerna mellan dessa otroligt små partiklar så mycket energi att det skapade en fantastisk grön-gul glöd.

Ett Crookes-rör med maltesisk korsformad metall (kredit: sciencephotos / Alamy Stock Photo)

”Det är en av de första partikelacceleratorerna på ett sätt”, säger Cliff. ”Det accelererar elektroner från ena änden av röret till den andra och de träffar skärmen i andra änden och ger denna fosforescerande glöd.”

Upptäckten av elektronen föreslog att det fanns mer att lära sig om atomer

Eftersom Thomson upptäckte att han faktiskt kunde styra elektronstrålarna med magneter och elektriska fält, visste han att de inte bara var konstiga ljusstrålar – de måste laddas partiklar.

Och om du undrar hur dessa elektroner kan flyga runt oberoende av deras atomer, beror det på en process som kallas jonisering, i vilken – i det här fallet – en elektrisk laddning förändrar atomens struktur genom att trycka bort dessa elektroner i utrymmet runt.

Det beror faktiskt på att elektroner manipuleras och flyttas så lätt att elektriska kretsar är möjliga. Elektroner i en koppartråd rör sig i en tågliknande rörelse från en atom av koppar till nästa – och det är den som bär laddningen genom tråden till den andra änden. Atomer, det är värt att notera igen, är inte solida små bitar av materia, utan system som kan modifieras eller genomgå strukturella förändringar.

Glödlampor lyser på grund av flödet av elektroner (kredit: Feng Yu / Alamy Stock Foto)

Glödlampor lyser på grund av elektronernas flöde (kredit: Feng Yu / Alamy Stock Photo)

Men upptäckten av elektronen föreslog att det fanns mer att lära sig om atomer. Thomsons arbete avslöjade att elektroner är negativt laddade – men han visste att atomerna själva inte hade någon total laddning. Han resonerade att de måste innehålla mystiska positivt laddade partiklar för att ta bort de negativt laddade elektronerna.

Han hade visat att det fanns en tät kärna i atomen

Experiment i början av 20: e Century identifierade de positivt laddade partiklarna och avslöjade samtidigt atomens solsystemliknande inre struktur.

Ernest Rutherford och hans kollegor tog mycket tunn metallfolie och lade den under en stråle av positivt laddad strålning – en ström av små partiklar. Det mesta av den kraftfulla strålningen seglade igenom, precis som Rutherford trodde det skulle, med tanke på hur tunn folien var. Men överraskande studsade en del tillbaka.

Rutherford resonerade att atomerna i metallfolien måste innehålla små, täta områden med en positiv laddning – inget annat skulle ha potential att reflektera strålningen till en så stark grad. Han hade hittat de positiva laddningarna i atomen – och samtidigt bevisat att de alla var sammanbundna i en tät massa på ett sätt som elektroner inte är. Med andra ord hade han visat att det finns en tät kärna i atomen.

Cambridge-fysikern James Chadwick var desperat att upptäcka neutronen

Det fanns dock fortfarande ett problem. Vid det här laget kunde massan av atomer uppskattas. Men med tanke på vad som var känt om hur tung en partikel i kärnan borde vara, var tanken att de alla var positivt laddade inte meningsfull.

”Kol har sex elektroner och därför sex protoner i kärnan – sex positiva laddningar och sex negativa laddningar, förklarar Cliff. ”Men kärnan av kol väger inte sex protoner, den väger [motsvarande] 12 protoner.”

Tidigt trodde man att de andra sex kärnpartiklarna skulle ha samma massa som protoner men vara neutralt laddade: neutroner. Men ingen kunde bevisa detta. Faktum är att neutroner faktiskt inte upptäcktes förrän på 1930-talet.

Allt runt oss är av atomer (kredit: Magictorch / Alamy Stock Photo)

Cambridge-fysikern James Chadwick var desperat att upptäcka neutronen. Han hade arbetat med teorin i flera år. 1932 gjorde han ett genombrott.

På 1930-talet hade vi räknat mycket om atomer, men ingen hade producerat en direkt bild av en

Några år tidigare, andra fysiker hade experimenterat med strålning. De avfyrade positivt laddad strålning – samma typ som Rutherford hade använt för att upptäcka kärnan – mot berylliumatomer. Beryllium sparkade ut sin egen strålning: strålning som varken var positivt eller negativt laddad, och som kunde tränga långt igenom materialet.

Vid denna tid hade andra redan räknat ut att gammastrålning var neutral och djupt penetrerande , så fysikerna antog att detta är vad berylliumatomerna släppte. Men Chadwick var inte övertygad.

Han genererade en del av den nya strålningen själv och riktade den mot ett ämne som han visste var rikt på protoner. Protonerna slogs oväntat i luften bort från materialet som om de hade träffats av partiklar med samma massa – som snookerbollar som drabbats av andra snookerbollar.

Gamma-strålning kan inte avböja protoner. detta sätt, så Chadwick insåg att partiklarna i fråga här måste ha samma massa som protonen men saknar dess elektriska laddning: de var neutroner.

Alla atomens nyckelbitar hade räknats ut, men berättelsen stannar inte där.

Du kan till och med räkna ut hur atomer ser ut genom att peka på dem

Även om vi hade funderat mycket mer på atomer än vi hade tidigare, var fortfarande svåra att visualisera. Och tillbaka på 1930-talet hade ingen producerat en direkt bild av en – vilket är vad många skulle vilja se för att verkligen acceptera att de är där.

Det är dock viktigt att de tekniker som hade använts av forskare som Thomson, Rutherford och Chadwick, skulle bana väg för ny utrustning som så småningom skulle hjälpa oss att producera dessa bilder. Elektronstrålarna som Thomson genererade i sitt Crookes rör-experiment visade sig vara särskilt användbara.

Idag genereras liknande strålar av elektronmikroskop, och de mest kraftfulla av dessa mikroskop kan faktiskt skapa bilder av enskilda atomer. Detta beror på att en elektronstråle kan ha en våglängd tusentals gånger kortare än en ljusstråle – så kort i själva verket att elektronvågor kan avböjas av små atomer för att generera en bild på ett sätt som ljusstrålar inte kan.

Neal Skipper vid University College London säger att sådana bilder är användbara för människor som vill studera atomstrukturen hos speciella ämnen – de som används för att till exempel skapa batterier för elbilar. Ju mer vi vet om deras atomstruktur, desto bättre kan vi utforma dem för att vara effektiva och tillförlitliga.

Atomkraftsmikroskop kan visa oss enskilda atomer (kredit: Flirt / Alamy Stock Photo)

Du kan till och med räkna ut hur atomer ser ut genom att peka på dem. Det är i princip hur atomkraftsmikroskopi fungerar.

I en vätska, när du värmer upp den, kan du se atomerna har mer oroliga konfigurationer

Tanken är att ta ut spetsen på en extremt liten sond nära ytan på en molekyl eller materialets yta. Vid så nära håll kommer sonden att vara känslig för den kemiska strukturen av vad den än pekar på, och förändringen i resistens när den rör sig över den gör det möjligt för forskare att producera bilder av till exempel en enskild molekyl.

Nyligen publicerade forskare underbara bilder av en molekyl före och efter en kemisk reaktion med den här metoden.

Skipper tillägger att mycket atomforskning idag undersöker hur tingenes struktur förändras när ett högt tryck , eller extrem temperatur, appliceras. De flesta vet att när ett material värms upp expanderar det ofta. Det är nu möjligt att upptäcka de atomförändringar som uppstår som gör detta möjligt.

”I en vätska, när du värmer upp den, kan du se atomerna har mer oroliga konfigurationer”, säger Skipper. ”Du kan se det direkt från strukturkartan.”

Skipper och andra fysiker kan också arbeta med atomer med hjälp av neutronstrålarna som Chadwick först identifierade på 1930-talet.

Du kan identifiera atomer genom att detektera energin från gammastrålar ensam kärna, säger han. ”Du kan räkna ut massan och den grova storleken på objektet som gjorde spridningen.”

Men atomer sitter inte alltid bara där, lugnt stabila och väntar på att bli undersökta. Ibland förfaller de – vilket betyder att de är radioaktiva.

Det finns många naturligt förekommande radioaktiva element. Processen genererar energi, som utgör grunden för kärnkraft – och kärnbomber. Kärnfysikernas forskning handlar vanligtvis om att försöka bättre förstå reaktioner där kärnan genomgår grundläggande förändringar som dessa.

Uranatomer kan delas i två (kredit: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)

Laura Harkness-Brennan vid University of Liverpool specialiserar sig på studier av gammastrålar – en typ av strålning som avges genom förfall atomer. En radioaktiv atom av en viss typ genererar en specifik form av gammastråle. Det innebär att du kan identifiera atomer genom att detektera enbart gammastrålarnas energi – och det är precis vad Harkness-Brennan gör i sitt laboratorium.

Vi har inte bara räknat ut vad atomer är, vi har insett att de är underbart komplexa strukturer

”De typer av detektorer som du skulle använda är detektorer som låter dig mäta både närvaron av strålningen men också energin hos den strålning som deponeras”, säger hon, ”Och det beror på att kärnorna alla har ett karakteristiskt fingeravtryck.”

Eftersom det kan finnas alla typer av atomer närvarande i ett område där strålning detekteras, särskilt efter en stor kärnreaktion av något slag, är det viktigt att vet exakt vilka radioaktiva isotoper som finns. Denna typ av upptäckt görs vanligtvis i kärnkraftverk eller i områden där det har förekommit kärnkatastrofer.

Harkness-Brennan och hennes kollegor arbetar nu med detekteringssystem som kan ställas in på sådana platser för att visa , i tre dimensioner, där strålning kan finnas i ett visst rum. ”Vad du vill göra är att ha tekniker och verktyg som gör att du kan avbilda ett tredimensionellt utrymme och berätta för dig i det rummet, i det röret, det är där strålningen är”, säger hon.

Givet hur liten atomen är är det fantastiskt hur mycket fysik vi kan få ut ur den

Det är också möjligt att visualisera strålning i en ”molnkammare”. Detta är ett speciellt experiment där alkoholånga, kylt till -40 ° C, driver i ett moln runt en radioaktiv källa. Laddade partiklar av strålning som flyger bort från källan tar bort elektronerna från alkoholmolekyler. Detta får alkoholen att kondensera till vätska runt den emitterade partikelns väg. Resultaten av den här typen av detektering är egentligen ganska fantastiska.

Vi har inte bara tagit reda på vad atomer är, vi har insett att de är fantastiskt komplexa strukturer som kan genomgå fantastiska förändringar – varav många inträffar naturligtvis. Och genom att studera atomer på detta sätt har vi kunnat förbättra vår teknik, utnyttja energin från kärnreaktioner och bättre förstå den naturliga världen omkring oss. Vi har också kunnat skydda oss bättre från strålning och upptäcka hur material förändras när de placeras under extrema förhållanden.

Harkness-Brennan uttrycker det bra: ”Med tanke på hur liten atomen är är det fantastiskt hur mycket fysik vi har kan komma ur det. ”

Allt vi kan se runt oss är gjorda av dessa små saker. Det är bra att veta att de är där nere, vilket gör allt möjligt.

Bästa svaret

Svar

Lämna ett svar Avbryt svar