Beste Antwort
Die Masse eines Atoms eines Elements ist die Gesamtsumme der Masse aller Protonen und der Masse aller Neutronen Die Elektronen sind vernachlässigbar.
Es gibt ein einzelnes Proton und eine einzelne Wahl im Wasserstoffatom und es gibt kein Neutron.
Masse eines Wasserstoffatoms = Masse eines Protons + Masse von ein Elektron
Alle anderen Elemente haben mehr Protonen und Neutronen als Wasserstoff
Daher ist Wasserstoff das leichteste Element im Periodensystem.
Antwort
Atome sind klein. Wirklich sehr, sehr klein. Sie werden wahrscheinlich gehört haben, dass Materie aus Bündeln dieser winzigen Dinge besteht. Sie werden wahrscheinlich auch wissen, dass Sie sie nicht mit bloßem Auge sehen können. Wir sollen der Idee vertrauen, dass Atome da sind, miteinander interagieren und Bausteine für unsere Welt sind.
Für die meisten Menschen ist das jedoch nicht gut genug. Die Wissenschaft ist stolz darauf, wie sie mithilfe realer Beobachtungen die Geheimnisse des Universums herausarbeitet. Wie sind wir zu dem Schluss gekommen, dass Atome existieren, und was haben wir über diese winzigen Strukturen gelernt?
Es scheint als ob es einen einfachen Weg gibt, um zu beweisen, dass Atome existieren: sie unter die Lupe nehmen. Dieser Ansatz wird jedoch nicht funktionieren. Tatsächlich können selbst die leistungsstärksten lichtfokussierenden Mikroskope einzelne Atome nicht sichtbar machen. Was ein Objekt sichtbar macht, ist die Art und Weise, wie es sichtbare Lichtwellen ablenkt. Atome sind so viel kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, dass die beiden nicht wirklich interagieren. Anders ausgedrückt, Atome sind für das Licht selbst unsichtbar. Atome haben jedoch beobachtbare Auswirkungen auf einige der Dinge, die wir sehen können.
Sichtbares Licht kann einzelne Atome nicht enthüllen (Bildnachweis: Jewgen Lyaschko / Alamy Stockfoto)
Sichtbares Licht kann nicht sichtbar machen einzelne Atome (Bildnachweis: Jewgen Lyaschko / Alamy Stockfoto)
Vor Hunderten von Jahren untersuchte der niederländische Wissenschaftler Jan Ingenhousz 1785 ein seltsames Phänomen, das er nicht ganz verstehen konnte. In seinem Labor schossen winzige Partikel von Kohlenstaub auf der Oberfläche von Alkohol herum.
Selbst die leistungsstärksten lichtfokussierenden Mikroskope können einzelne Atome
etwa 50 Jahre später nicht sichtbar machen 1827 beschrieb der schottische Botaniker Robert Brown etwas seltsam Ähnliches. Er ließ sein Mikroskop auf einige Pollenkörner trainieren. Brown bemerkte, dass einige der Körner winzige Partikel freisetzten – die sich dann in einem zufälligen, nervösen Tanz vom Pollenkorn wegbewegten.
Zuerst fragte sich Brown, ob die Partikel wirklich eine Art unbekannter Organismus waren. Er wiederholte das Experiment mit anderen Substanzen wie Steinstaub, von dem er wusste, dass er nicht mehr lebte, und sah dieselbe seltsame Bewegung erneut.
Es würde fast ein weiteres Jahrhundert dauern, bis die Wissenschaft eine Erklärung lieferte. Einstein kam und entwickelte eine mathematische Formel, die diese ganz bestimmte Art von Bewegung vorhersagen würde – bis dahin Brownsche Bewegung nach Robert Brown.
Einsteins Theorie war, dass die Partikel aus den Pollenkörnern bewegt wurden weil sie ständig gegen Millionen winzigerer Wassermoleküle stießen – Moleküle, die aus Atomen bestanden.
Es könnte überraschen, dass Atome abgebaut werden können – zumal „Atomos“ „unteilbar“ bedeutet
„Er erklärt diese Wackelbewegung, die Sie als tatsächlich durch den Einfluss einzelner Wassermoleküle auf die Staubpartikel oder was auch immer Sie auf Ihre Flüssigkeit haben, verursacht sehen“, erklärt Harry Cliff am Universität von Cambridge, die auch Kuratorin am Londoner Science Museum ist.
Bis 1908 hatten Beobachtungen, die mit Berechnungen untermauert waren, bestätigt, dass Atome real waren. Innerhalb eines Jahrzehnts könnten die Physiker noch weiter gehen. Durch das Auseinanderziehen einzelner Atome erhielten sie ein Gefühl für ihre innere Struktur.
Es könnte überraschen, dass Atome zerlegt werden können – zumal der Name Atom von einem griechischen Begriff „Atomos“ abgeleitet ist. , was „unteilbar“ bedeutet. Aber die Physiker wissen jetzt, dass Atome keine festen kleinen Kugeln sind. Es ist besser, sie als winzige elektrische „planetarische“ Systeme zu betrachten. Sie bestehen normalerweise aus drei Hauptteilen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Stellen Sie sich die Protonen und Neutronen so vor, dass sie zusammen eine „Sonne“ oder einen Kern im Zentrum des Systems bilden. Die Elektronen umkreisen diesen Kern wie Planeten.
Atome bestehen aus kleineren Teilchen (Bildnachweis: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Atome bestehen aus kleineren Teilchen (Bildnachweis) : Science Photo Library / Alamy Stockfoto)
Wenn Atome unglaublich klein sind, sind es diese subatomaren Teilchen noch mehr. Lustigerweise war das erste Teilchen, das entdeckt wurde, tatsächlich das kleinste der drei – das Elektron.
Um einen Eindruck vom Größenunterschied zu bekommen, sind Protonen im Kern tatsächlich etwa 1.830-mal so groß wie Elektronen . Stellen Sie sich einen kleinen Marmor vor, der einen Heißluftballon umkreist – das ist die Art von Diskrepanz, von der wir hier sprechen.
Es ist in gewisser Weise einer der ersten Teilchenbeschleuniger
Aber woher wissen wir, dass diese Teilchen da sind? Die Antwort ist, dass sie, obwohl winzig, einen großen Einfluss haben können. Der britische Physiker JJ Thomson, der Elektronen entdeckte, benutzte eine besonders auffällige Methode, um ihre Existenz im Jahr 1897 zu beweisen.
Sein spezielles Gerät hieß Crookes-Röhre – ein komisch geformtes Stück Glas, aus dem fast Die ganze Luft wurde von einer Maschine angesaugt. Dann wurde eine negative elektrische Ladung an ein Ende der Röhre angelegt. Diese Ladung reichte aus, um die verbleibenden Gasmoleküle in der Röhre von einigen ihrer Elektronen zu befreien. Elektronen sind negativ geladen, so dass sie die Röhre hinunter zum anderen Ende flogen. Dank des Teilvakuums konnten diese Elektronen durch die Röhre schießen, ohne dass große Atome in die Quere kamen.
Durch die elektrische Ladung bewegten sich die Elektronen tatsächlich sehr schnell – etwa 59.500 Kilometer pro Sekunde pro Sekunde) – bis sie am anderen Ende in das Glas schlugen und in noch mehr Elektronen stießen, die mit den Atomen dort assoziiert sind. Erstaunlicherweise erzeugten die Kollisionen zwischen diesen umwerfend kleinen Partikeln so viel Energie, dass sie ein fantastisches grün-gelbes Leuchten erzeugten.
Eine Crookes-Röhre mit maltesischem kreuzförmigem Metall (Bildnachweis: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Eine Crookes-Röhre mit maltesischem kreuzförmigem Metall (Bildnachweis: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
„Es ist in gewisser Weise einer der ersten Teilchenbeschleuniger“, sagt Cliff. „Es beschleunigt Elektronen von einem Ende der Röhre zum anderen und sie treffen am anderen Ende auf den Bildschirm und verleihen diesem phosphoreszierenden Licht.“
Die Entdeckung des Elektrons deutete darauf hin, dass es mehr zu lernen gibt über Atome
Da Thomson feststellte, dass er die Elektronenstrahlen tatsächlich mit Magneten und elektrischen Feldern steuern konnte, wusste er, dass es sich nicht nur um seltsame Lichtstrahlen handelte – es mussten geladene Teilchen sein.
Und wenn Sie sich fragen, wie diese Elektronen unabhängig von ihren Atomen herumfliegen könnten, liegt dies an einem Prozess namens Ionisation, bei dem – in diesem Fall – eine elektrische Ladung die Struktur des Atoms verändert, indem sie diese Elektronen in den umliegenden Raum drückt.
Tatsächlich sind Elektronen so leicht zu manipulieren und zu bewegen, dass elektrische Schaltkreise möglich sind. Elektronen in einem Kupferdraht bewegen sich in einer zugartigen Bewegung von einem Kupferatom zum nächsten – und es ist das, was die Ladung durch den Draht zum anderen Ende transportiert. Es ist erwähnenswert, dass Atome keine festen kleinen Materiestücke sind, sondern Systeme, die modifiziert werden oder strukturelle Veränderungen erfahren können.
Glühbirnen leuchten aufgrund des Elektronenflusses (Quelle: Feng Yu / Alamy Stock) Foto)
Glühbirnen leuchten aufgrund des Elektronenflusses (Bildnachweis: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Die Entdeckung des Elektrons deutete jedoch darauf hin, dass es mehr über Atome zu lernen gab. Thomsons Arbeit zeigte, dass Elektronen negativ geladen sind – aber er wusste, dass Atome selbst keine Gesamtladung hatten. Er argumentierte, dass sie mysteriöse positiv geladene Teilchen enthalten müssen, um die negativ geladenen Elektronen aufzuheben.
Er hatte zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Existenz eines dichten Kerns innerhalb des Atoms
Experimente nachgewiesen Century identifizierte diese positiv geladenen Teilchen und enthüllte gleichzeitig die solarsystemähnliche innere Struktur des Atoms.
Ernest Rutherford und seine Kollegen nahmen sehr dünne Metallfolien und legten sie unter einen Strahl positiv geladener Strahlung – a Strom kleiner Partikel. Der größte Teil der starken Strahlung segelte genau so durch, wie Rutherford es erwartet hatte, wenn man bedenkt, wie dünn die Folie war. Aber überraschenderweise prallte ein Teil davon zurück.
Rutherford argumentierte, dass die Atome in der Metallfolie kleine, dichte Bereiche mit einer positiven Ladung enthalten müssen – nichts anderes hätte das Potenzial, die Strahlung so stark zu reflektieren Grad. Er hatte die positiven Ladungen im Atom gefunden – und gleichzeitig bewiesen, dass sie alle in einer engen Masse so gebündelt waren, wie es Elektronen nicht tun. Mit anderen Worten, er hatte die Existenz eines dichten Kerns innerhalb des Atoms nachgewiesen.
Der Cambridge-Physiker James Chadwick wollte unbedingt das Neutron entdecken
Es gab jedoch immer noch ein Problem. Inzwischen konnte die Masse der Atome geschätzt werden. Angesichts dessen, was darüber bekannt war, wie schwer ein Teilchen im Kern sein sollte, ergab die Vorstellung, dass sie alle positiv geladen waren, keinen Sinn.
„Kohlenstoff hat sechs Elektronen und damit sechs Protonen im Kern – sechs positive und sechs negative Ladungen “, erklärt Cliff. „Aber der Kohlenstoffkern wiegt nicht sechs Protonen, er wiegt [das Äquivalent] 12 Protonen.“
Schon früh wurde angenommen, dass die anderen sechs Kernteilchen die gleiche Masse wie Protonen haben würden, aber neutral geladen: Neutronen. Aber niemand konnte das beweisen. Tatsächlich wurden Neutronen erst in den 1930er Jahren entdeckt.
Alles um uns herum besteht aus Atomen (Bildnachweis: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Alles um uns herum besteht aus Atomen (Bildnachweis: Magictorch / Alamy Foto)
Der Cambridge-Physiker James Chadwick wollte unbedingt das Neutron entdecken. Er hatte jahrelang an der Theorie gearbeitet. 1932 gelang ihm ein Durchbruch.
In den 1930er Jahren hatten wir viel über Atome herausgefunden, aber niemand hatte einige Jahre zuvor ein direktes Bild von einem
erstellt. andere Physiker hatten mit Strahlung experimentiert. Sie feuerten positiv geladene Strahlung – dieselbe Art, mit der Rutherford den Kern entdeckt hatte – auf Berylliumatome ab. Das Beryllium stieß eine eigene Strahlung aus: Strahlung, die weder positiv noch negativ geladen war und die weit durch das Material dringen konnte.
Zu diesem Zeitpunkt hatten andere bereits herausgefunden, dass Gammastrahlung neutral und tief eindringend ist Die Physiker gingen also davon aus, dass die Berylliumatome dies freisetzten. Aber Chadwick war nicht überzeugt.
Er erzeugte einen Teil der neuen Strahlung selbst und richtete sie auf eine Substanz, von der er wusste, dass sie reich an Protonen ist. Unerwartet wurden die Protonen vom Material weg in die Luft geschleudert, als wären sie von Partikeln mit der gleichen Masse getroffen worden – wie Snooker-Bälle, die von anderen Snooker-Bällen getroffen wurden.
Gammastrahlung kann Protonen nicht ablenken Auf diese Weise erkannte Chadwick, dass die hier fraglichen Teilchen die gleiche Masse wie das Proton haben müssen, aber keine elektrische Ladung haben: Es waren Neutronen.
Alle Schlüsselbits des Atoms waren herausgefunden worden, aber die Die Geschichte hört hier nicht auf.
Sie können sogar herausfinden, wie Atome aussehen, indem Sie sie anstupsen.
Obwohl wir viel mehr über Atome herausgefunden hatten als zuvor, waren sie es waren immer noch schwer zu visualisieren. Und in den 1930er Jahren hatte niemand ein direktes Bild von einem produziert – was viele Menschen sehen möchten, um wirklich zu akzeptieren, dass sie dort sind.
Wichtig sind jedoch die Techniken, die Wissenschaftler wie Thomson, Rutherford und Chadwick hätten den Weg für neue Geräte geebnet, die uns letztendlich helfen würden, diese Bilder zu produzieren. Die Elektronenstrahlen, die Thomson in seinem Crookes-Röhrenexperiment erzeugt hat, haben sich als besonders nützlich erwiesen.
Heutzutage werden ähnliche Strahlen von Elektronenmikroskopen erzeugt, und das leistungsstärkste dieser Mikroskope kann tatsächlich Bilder einzelner Atome erzeugen. Dies liegt daran, dass ein Elektronenstrahl eine tausendfach kürzere Wellenlänge als ein Lichtstrahl haben kann – so kurz, dass Elektronenwellen von winzigen Atomen abgelenkt werden können, um ein Bild auf eine Weise zu erzeugen, die Lichtstrahlen nicht können.
Neal Skipper vom University College London sagt, solche Bilder seien nützlich für Menschen, die die atomare Struktur spezieller Substanzen untersuchen möchten – beispielsweise zur Herstellung von Batterien für Elektroautos. Je mehr wir über ihre Atomstruktur wissen, desto besser können wir sie effizient und zuverlässig gestalten.
Rasterkraftmikroskope können uns einzelne Atome zeigen (Bildnachweis: Flirt / Alamy Stock Photo)
Rasterkraftmikroskope können uns einzelne Atome zeigen (Bildnachweis: Flirt / Alamy Stock Photo)
Sie können sogar herausfinden, wie Atome aussehen, indem Sie sie anstoßen. Dies ist im Wesentlichen die Funktionsweise der Rasterkraftmikroskopie.
In einer Flüssigkeit können Sie beim Erhitzen feststellen, dass die Atome ungeordnetere Konfigurationen aufweisen.
Die Idee ist, die Spitze von zu bringen eine extrem kleine Sonde nahe der Oberfläche eines Moleküls oder der Oberfläche eines Materials. Auf so engem Raum reagiert die Sonde empfindlich auf die chemische Struktur dessen, worauf sie gerichtet ist, und die Änderung des Widerstands, wenn sie sich darüber bewegt, ermöglicht es Wissenschaftlern, Bilder davon zu erstellen, wie beispielsweise ein einzelnes Molekül aussieht. P. >
Kürzlich veröffentlichten Forscher wunderbare Bilder eines Moleküls vor und nach einer chemischen Reaktion mit dieser Methode.
Skipper fügt hinzu, dass viele Atomforschungen heute untersuchen, wie sich die Struktur von Dingen bei hohem Druck ändert oder extreme Temperatur angewendet wird. Die meisten Menschen wissen, dass sich ein Material beim Erhitzen häufig ausdehnt. Es ist jetzt möglich, die auftretenden atomaren Veränderungen zu erkennen, die dies ermöglichen.
„In einer Flüssigkeit können Sie beim Erhitzen feststellen, dass die Atome ungeordnetere Konfigurationen aufweisen“, sagt Skipper. „Das können Sie direkt auf der Strukturkarte sehen.“
Skipper und andere Physiker können auch mit den Neutronenstrahlen, die Chadwick in den 1930er Jahren erstmals identifiziert hat, an Atomen arbeiten.
Sie können sie identifizieren Atome, indem wir nur die Energie von Gammastrahlen erfassen
„Was wir häufig tun, ist, Neutronenstrahlen auf Materialklumpen abzufeuern, und anhand des Streumusters, das entsteht, können Sie herausfinden, dass Sie Neutronen von der Kern “, sagt er. „Sie können die Masse und die grobe Größe des Objekts ermitteln, das die Streuung durchgeführt hat.“
Aber Atome sitzen nicht immer nur da, ruhig stabil und warten darauf, untersucht zu werden. Manchmal verfallen sie – was bedeutet, dass sie radioaktiv sind.
Es gibt viele natürlich vorkommende radioaktive Elemente. Der Prozess erzeugt Energie, die die Grundlage für Atomkraft bildet – und Atombomben. Die Forschung der Kernphysiker beinhaltet im Allgemeinen den Versuch, Reaktionen, bei denen der Kern grundlegende Veränderungen wie diese erfährt, besser zu verstehen.
Uranatome können sich in zwei Teile teilen (Bildnachweis: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Uranatome können in zwei Teile geteilt werden (Bildnachweis: Peter Hermes Furian / Alamy Stockfoto)
Laura Harkness-Brennan von der Universität Liverpool ist auf die Untersuchung von Gammastrahlen spezialisiert – einer Art von Strahlung, die durch Zerfall emittiert wird Atome. Ein radioaktives Atom eines bestimmten Typs erzeugt eine bestimmte Form von Gammastrahlen. Das heißt, Sie können Atome identifizieren, indem Sie nur die Energie von Gammastrahlen erfassen – und genau das tut Harkness-Brennan in ihrem Labor.
Wir haben nicht nur herausgefunden, was Atome sind, wir haben erkannt dass es sich um wunderbar komplexe Strukturen handelt
„Die Arten von Detektoren, die Sie verwenden würden, sind Detektoren, mit denen Sie sowohl das Vorhandensein der Strahlung als auch die Energie der Strahlung messen können, die abgeschieden wird“, sagt sie. „Und das liegt daran, dass alle Kerne einen charakteristischen Fingerabdruck haben.“
Da in einem Bereich, in dem Strahlung detektiert wird, möglicherweise alle Arten von Atomen vorhanden sind, ist dies wichtig, insbesondere nach einer großen Kernreaktion genau wissen, welche radioaktiven Isotope vorhanden sind. Diese Art der Erkennung wird üblicherweise in Kernkraftwerken oder in Gebieten mit nuklearen Katastrophen durchgeführt.
Harkness-Brennan und ihre Kollegen arbeiten derzeit an Erkennungssystemen, die an solchen Orten eingerichtet werden können, um dies zu zeigen in drei Dimensionen, wo Strahlung in einem bestimmten Raum vorhanden sein kann. „Was Sie tun möchten, ist, Techniken und Werkzeuge zu haben, mit denen Sie einen dreidimensionalen Raum abbilden und Ihnen in diesem Raum, in diesem Rohr, sagen können, wo sich die Strahlung befindet“, sagt sie.
Gegeben Wie klein das Atom ist, ist erstaunlich, wie viel Physik wir daraus herausholen können.
Es ist auch möglich, Strahlung in einer „Wolkenkammer“ zu visualisieren. Dies ist ein spezielles Experiment, bei dem auf -40 ° C abgekühlter Alkoholdampf in einer Wolke um eine radioaktive Quelle driftet. Geladene Strahlungsteilchen, die von der Quelle wegfliegen, entfernen die Elektronen von Alkoholmolekülen. Dadurch kondensiert der Alkohol auf dem Weg des emittierten Partikels zu Flüssigkeit. Die Ergebnisse dieser Art der Detektion sind wirklich beeindruckend.
Wir haben nicht nur herausgefunden, was Atome sind, sondern auch festgestellt, dass es sich um wunderbar komplexe Strukturen handelt, die erstaunliche Veränderungen erfahren können – von denen viele auftreten natürlich. Durch diese Untersuchung von Atomen konnten wir unsere Technologien verbessern, die Energie von Kernreaktionen nutzen und die natürliche Welt um uns herum besser verstehen. Wir konnten uns auch besser vor Strahlung schützen und herausfinden, wie sich Materialien unter extremen Bedingungen verändern.
Harkness-Brennan bringt es auf den Punkt: „Angesichts der Größe des Atoms ist es erstaunlich, wie viel Physik wir haben kann da raus. “
Alles, was wir um uns herum sehen können, besteht aus diesen kleinen Dingen. Es ist gut zu wissen, dass sie dort unten sind, was alles möglich macht.