Перечислите известные вам характеристики атома: Дефекты строения кристаллических тел – Neosteel

Содержание

Ионизирующее излучение, последствия для здоровья и защитные меры

Что такое ионизирующее излучение? 

Ионизирующее излучение — это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн (гамма- или рентгеновское излучение) или частиц (нейтроны, бета или альфа). Спонтанный распад атомов называется радиоактивностью, а избыток возникающей при этом энергии является формой ионизирующего излучения. Нестабильные элементы, образующиеся при распаде и испускающие ионизирующее излучение, называются радионуклидами.

Все радионуклиды уникальным образом идентифицируются по виду испускаемого ими излучения, энергии излучения и периоду полураспада.

Активность, используемая в качестве показателя количества присутствующего радионуклида, выражается в единицах, называемых беккерелями (Бк): один беккерель — это один акт распада в секунду. Период полураспада — это время, необходимое для того, чтобы активность радионуклида в результате распада уменьшилась наполовину от его первоначальной величины.

Период полураспада радиоактивного элемента — это время, в течение которого происходит распад половины его атомов. Оно может находиться в диапазоне от долей секунды до миллионов лет (например, период полураспада йода-131 составляет 8 дней, а период полураспада углерода-14 — 5730 лет).

Источники излучения

Люди каждый день подвергаются воздействию естественного и искусственного излучения. Естественное излучение происходит из многочисленных источников, включая более 60 естественным образом возникающих радиоактивных веществ в почве, воде и воздухе. Радон, естественным образом возникающий газ, образуется из горных пород, почвы и является главным источником естественного излучения. Ежедневно люди вдыхают и поглощают радионуклиды из воздуха, пищи и воды.

Люди подвергаются также воздействию естественного излучения из космических лучей, особенно на большой высоте. В среднем 80% ежегодной дозы, которую человек получает от фонового излучения, это естественно возникающие наземные и космические источники излучения. Уровни такого излучения варьируются в разных реогрфических зонах, и в некоторых районах уровень может быть в 200 раз выше, чем глобальная средняя величина.

На человека воздействует также излучение из искусственных источников — от производства ядерной энергии до медицинского использования радиационной диагностики или лечения. Сегодня самыми распространенными искусственными источниками ионизирующего излучения являются медицинские аппараты, как рентгеновские аппараты, и другие медицинские устройства.

Воздействие ионизирующего излучения

Воздействие излучения может быть внутренним или внешним и может происходить различными путями.

Внутренне воздействие ионизирующего излучения происходит, когда радионуклиды вдыхаются, поглощаются или иным образом попадают в кровообращение (например, в результате инъекции, ранения). Внутреннее воздействие прекращается, когда радионуклид выводится из организма либо самопроизвольно (с экскрементами), либо в результате лечения.

Внешнее радиоактивное заражение может возникнуть, когда радиоактивный материал в воздухе (пыль, жидкость, аэрозоли) оседает на кожу или одежду. Такой радиоактивный материал часто можно удалить с тела простым мытьем.

Воздействие ионизирующего излучения может также произойти в результате внешнего излучения из соответствующего внешнего источника (например, такое как воздействие радиации, излучаемой медицинским рентгеновским оборудованием). Внешнее облучение прекращается в том случае, когда источник излучения закрыт, или когда человек выходит за пределы поля излучения.

Люди могут подвергаться воздействию ионизирующего излучения в различных обстоятельствах: дома или в общественных местах (облучение в общественных местах), на своих рабочих местах (облучение на рабочем месте) или в медицинских учреждениях (пациенты, лица, осуществляющие уход, и добровольцы).

Воздействие ионизирующего излучения можно классифицировать по трем случаям воздействия.

Первый случай — это запланированное воздействие, которое обусловлено преднамеренным использованием и работой источников излучения в конкретных целях, например, в случае медицинского использования излучения для диагностики или лечения пациентов, или использование излучения в промышленности или в целях научных исследований.

Второй случай — это существующие источники воздействия, когда воздействие излучения уже существует и в случае которого необходимо принять соответствующие меры контроля, например, воздействие радона в жилых домах или на рабочих местах или воздействие фонового естественного излучения в условиях окружающей среды.

Последний случай — это воздействие в чрезвычайных ситуациях, обусловленных неожиданными событиями, предполагающими принятие оперативных мер, например, в случае ядерных происшествий или злоумышленных действий.

На медицинское использование излучения приходится 98% всей дозы облучения из всех искусственных источников; оно составляет 20% от общего воздействия на население.  Ежегодно в мире проводится 3 600 миллионов радиологических обследований в целях диагностики, 37 миллионов процедур с использованием ядерных материалов и 7,5 миллиона процедур радиотерапии в лечебных целях.

Последствия ионизирующего излучения для здоровья

Радиационное повреждение тканей и/или органов зависит от полученной дозы облучения или поглощенной дозы, которая выражается в грэях (Гр).

Эффективная доза используется для измерения ионизирующего излучения с точки зрения его потенциала причинить вред. Зиверт (Зв) — единица эффективной дозы, в которой учитывается вид излучения и чувствительность ткани и органов. Она дает возможность измерить ионизирующее излучение с точки зрения потенциала нанесения вреда. Зв учитывает вид радиации и чувствительность органов и тканей. 

Зв является очень большой единицей, поэтому более практично использовать меньшие единицы, такие как миллизиверт (мЗв) или микрозиверт (мкЗв). В одном мЗв содержится тысяча мкЗв, а тысяча мЗв составляют один Зв. Помимо количества радиации (дозы), часто полезно показать скорость выделения этой дозы, например мкЗв/час или мЗв/год. 

Выше определенных пороговых значений облучение может нарушить функционирование тканей и/или органов и может вызвать острые реакции, такие как покраснение кожи, выпадение волос, радиационные ожоги или острый лучевой синдром. Эти реакции являются более сильными при более высоких дозах и более высокой мощности дозы.

Например, пороговая доза острого лучевого синдрома составляет приблизительно 1 Зв (1000 мЗв).

Если доза является низкой и/или воздействует длительный период времени (низкая мощность дозы), обусловленный этим риск существенно снижается, поскольку в этом случае увеличивается вероятность восстановления поврежденных тканей. Тем не менее риск долгосрочных последствий, таких как рак, который может проявиться через годы и даже десятилетия, существует. Воздействия этого типа проявляются не всегда, однако их вероятность пропорциональна дозе облучения. Этот риск выше в случае детей и подростков, так как они намного более чувствительны к воздействию радиации, чем взрослые.

Эпидемиологические исследования в группах населения, подвергшихся облучению, например людей, выживших после взрыва атомной бомбы, или пациентов радиотерапии, показали значительное увеличение вероятности рака при дозах выше 100 мЗв. В ряде случаев более поздние эпидемиологические исследования на людях, которые подвергались воздействию в детском возрасте в медицинских целях (КТ в детском возрасте), позволяют сделать вывод о том, что вероятность рака может повышаться даже при более низких дозах (в диапазоне 50-100 мЗв).

Дородовое воздействие ионизирующего излучения может вызвать повреждение мозга плода при сильной дозе, превышающей 100 мЗв между 8 и 15 неделей беременности и 200 мЗв между 16 и 25 неделей беременности. Исследования на людях показали, что до 8 недели или после 25 недели беременности связанный с облучением риск для развития мозга плода отсутствует. Эпидемиологические исследования свидетельствуют о том, что риск развития рака у плода после воздействия облучения аналогичен риску после воздействия облучения в раннем детском возрасте.

Деятельность ВОЗ

ВОЗ разработала радиационную программу защиты пациентов, работников и общественности от опасности воздействия радиации на здоровье в планируемых, существующих и чрезвычайных случаях воздействия. Эта программа, которая сосредоточена на аспектах общественного здравоохранения, охватывает деятельность, связанную с оценкой риска облучения, его устранением и информированием о нем.

В соответствии с основной функцией, касающейся “установления норм и стандартов, содействия в их соблюдении и соответствующего контроля” ВОЗ сотрудничает с 7 другими международными организациями в целях пересмотра и обновления международных стандартов базовой безопасности, связанной с радиацией (СББ).

ВОЗ приняла новые международные СББ в 2012 году и в настоящее время проводит работу по оказанию поддержки в осуществлении СББ в своих государствах-членах.

 

Физические свойства неметаллов — урок. Химия, 9 класс.

Из \(118\) известных на данный момент химических элементов \(22\) элемента образуют простые вещества, обладающие неметаллическими свойствами. Неметаллических простых веществ намного больше, чем самих неметаллических химических элементов. Причиной тому служит существование явления, называемого аллотропией.

Аллотропия — это способность атомов данного химического элемента образовывать несколько простых веществ, называемых аллотропными видоизменениями, или аллотропными модификациями.

Например, химический элемент кислород \(O\) образует простое вещество кислород O2, молекула которого состоит из двух атомов, и простое вещество озон O3, молекула которого состоит из трёх атомов данного элемента.

 

Химический элемент фосфор \(P\) образует множество аллотропных видоизменений, важнейшими из которых являются красный фосфор и белый фосфор.

 

Химический элемент углерод \(C\) образует встречающиеся в природе модификации — алмаз и графит.

 

Аллотропные видоизменения, образуемые одним и тем же химическим элементом, существенно отличаются между собой как по строению, так и по свойствам.

 

Аллотропия присуща не всем неметаллических химическим элементам.

Например, водород, азот, элементы \(VII\)A и \(VIII\)A групп не имеют аллотропных модификаций, т. е. каждый из упомянутых элементов образует только одно простое вещество.

Кристаллическая решетка неметаллов

Причина большого разнообразия физических свойств неметаллов кроется в различном строении кристаллических решёток этих веществ.

 

Часть неметаллов имеет атомную кристаллическую решетку. Кристаллы таких веществ состоят из атомов, соединённых между собой прочными ковалентными связями. Такие неметаллы находятся в твёрдом агрегатном состоянии и являются нелетучими. Примерами таких веществ служат алмаз, графит, красный фосфор и кремний.

 

 

  

Рис. \(1\). Модели кристаллических решёток алмаза (слева) и графита.

  

Кристаллы этих аллотропных видоизменений состоят из атомов углерода, соединённых между собой ковалентными связями. Кристаллы графита, в отличие от кристаллов алмаза, сложены из отдельных слоёв, которые располагаются друг по отношению к другу подобно тому, как листы бумаги — в книге

 

Другая часть неметаллов имеет молекулярную кристаллическую решетку. В этом случае в каждой молекуле атомы соединены достаточно прочно ковалентной связью, а вот отдельные молекулы друг с другом в кристаллах вещества связаны очень слабо. Поэтому вещества молекулярного строения при обычных условиях могут быть газами, жидкостями или легкоплавкими твёрдыми веществами.

 

Кислород O2, озон O3, азот N2, водород h3, фтор F2, хлор Cl2, бром Br2, иод I2, белый фосфор P4, кристаллическая сера S8  и инертные газы — это всё вещества, кристаллы которых состоят из отдельных молекул (а в случае инертных газов — из отдельных атомов, как бы выполняющих роль молекул).

 

 

 

Рис. \(2\). Модель молекулы серы (слева) и кристалл серы.

  

Кристалл серы состоит из отдельных молекул \(S_8\)

Физические свойства неметаллов

Свойства неметаллических простых веществ отличаются большим разнообразием. Собственно говоря, их объединяет только то, что они, как правило, не обладают теми физическими свойствами, которые типичны для металлов, т. е. не обладают характерным металлическим блеском, ковкостью, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью.

 

Агрегатное состояние
 

Неметаллы при обычных условиях могут быть газообразными, жидкими и твёрдыми веществами.

 

Газообразными неметаллами являются гелий \(He\), неон \(Ne\), аргон \(Ar\), криптон \(Kr\), ксенон \(Xe\) и радон \(Rn\). Их называют инертными (или благородными) газами. Каждая «молекула» инертного газа состоит только из одного атома.

 

Такие химические элементы, как водород \(H\), кислород \(O\), азот \(N\), хлор \(Cl\), фтор \(F\) образуют газообразные вещества, состоящие из двухатомных молекул, соответственно — h3, O2, N2, Cl2, F2.

 

Из неметаллических простых веществ при обычных условиях жидкостью является только бром, молекулы которого двухатомны — Br2.

 

Остальные неметаллические химические элементы при обычных условиях находятся в твёрдом агрегатном состоянии. Например, химический элемент углерод образует такие твёрдые вещества, как алмаз и графит. Твёрдыми являются кристаллическая сера S8, фосфор красный и фосфор белый P4, кристаллический иод I2.

 

Цвет и блеск

  

Только некоторые неметаллы в отличие от металлов имеют блеск. Например, кристаллический иод, кремний и графит не похожи на остальные неметаллы — они имеют блеск, несколько напоминающий блеск металлов.

 

В отличие от металлов, большинство которых имеют серебристо-серый цвет, окраска неметаллов очень разнообразна. Белый цвет имеет белый фосфор, красный — красный фосфор, жёлтый — сера и фтор, красно-бурый — жидкий бром, жёлто-зелёный — хлор, фиолетовый цвет имеют пары иода, синий — жидкий кислород, серый — графит и кремний. Бесцветным является алмаз, окраски не имеют также инертные газы, азот, кислород и водород.

 

Рис. \(3\). Алмаз

  

Рис. \(4\). Иод

  

Рис. \(5\). Бром

Рис. \(6\). Хлор

 

Неметаллы могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном агрегатных состояниях.

  

Запах

  

Некоторые неметаллы имеют запах. Например, резкий удушливый запах имеют озон O3, фтор F2 (при попадании в органы дыхания практически моментально разрушает ткани), хлор Cl2, бром Br2 и иод I2.

 

Пластичность

  

Неметаллы в твёрдом агрегатном состоянии не обладают пластичностью. Они являются хрупкими.

 

Электро- и теплопроводность

  

Неметаллы, за исключением графита, плохо проводят тепло и практически не проводят электрический ток (являются диэлектриками).

Источники:

Рис. 1. Модели кристаллических решёток алмаза (слева) и графита. https://image.shutterstock.com/image-vector/illustration-chemical-carbon-has-several-600w-1717122967.jpg

Рис. 2. Модель молекулы серы (слева) и кристалл серы.

https://image.shutterstock.com/image-vector/illustration-chemical-allotropes-sulfur-including-600w-1732938125.jpg

https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/yellow-natural-native-sulfur-crystal-isolated-729259936

Рис. 3. Алмаз https://cdn.pixabay.com/photo/2014/10/24/08/09/diamond-500872_960_720.jpg

Рис. 4. Иод https://image.shutterstock.com/image-photo/solid-iodine-sublimation-flushing-experiment-600w-1409329922.jpg

Рис. 5. Бром https://image.shutterstock.com/image-photo/macroview-on-ampoule-element-no-600w-1739647871.jpg

Рис. 6. Хлор https://image.shutterstock.com/image-photo/chlorine-gaz-glass-round-bottom-600w-713676862.jpg

Росатом Госкорпорация «Росатом» ядерные технологии атомная энергетика АЭС ядерная медицина

Балаковская АЭС
№1 ВВЭР-1000 В эксплуатации г. Балаково, Саратовская обл. 1000 28.12.1985
№2 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 08.10.1987
№3 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 24.12.1988
№4 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 04.11.1993
Белоярская АЭС
№1 АМБ-100 Остановлен для вывода из эксплуатации г. Заречный, Свердловская обл. 100 26.04.1964
№2 АМБ-200 Остановлен для вывода из эксплуатации 200 29.12.1967
№3 БН-600 В эксплуатации 600 08. 04.1980
№4 БН-800 В эксплуатации 800 01.11.2016
Билибинская АЭС
№1 ЭГП-6 Остановлен для вывода из эксплуатации г. Билибино, Чукотский АО 12 12.01.1974
№2 ЭГП-6 В эксплуатации 12 30.10.1974
№3 ЭГП-6 В эксплуатации 12 22.12.1975
№4 ЭГП-6 В эксплуатации 12 27.12.1976
Калининская АЭС
№1 ВВЭР-1000 В эксплуатации г. Удомля, Тверская обл. 1000 09.05.1984
№2 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 11.12.1986
№3 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 16.12.2004
№4 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 24.11.2011
Кольская АЭС
№1 ВВЭР-440 В эксплуатации г. Полярные Зори, Мурманская обл. 440 29.06.1973
№2 ВВЭР-440 В эксплуатации 440 08.12.1974
№3 ВВЭР-440 В эксплуатации 440 24. 03.1981
№4 ВВЭР-440 В эксплуатации 440 11.10.1984
Курская АЭС
№1 РБМК-1000 В эксплуатации г. Курчатов, Курская обл. 1000 19.12.1976
№2 РБМК-1000 В эксплуатации 1000 28.01.1979
№3 РБМК-1000 В эксплуатации 1000 17.10.1983
№4 РБМК-1000 В эксплуатации 1000 02.12.1985
Курская АЭС-2
№1 ВВЭР-ТОИ Сооружается 1255
№2 ВВЭР-ТОИ Сооружается 1255
Ленинградская АЭС
№1 РБМК-1000 Остановлен для вывода из эксплуатации г. Сосновый Бор, Ленинградская обл. 1000 21.12.1973
№2 РБМК-1000 Остановлен для вывода из эксплуатации 1000 11.07.1975
№3 РБМК-1000 В эксплуатации 1000 07.12.1979
№4 РБМК-1000 В эксплуатации 1000 09.12.1981
Ленинградская АЭС-2
№1 ВВЭР-1200 В эксплуатации г. Сосновый Бор, Ленинградская обл. 1200 09.03.2018
№2 ВВЭР-1200 В эксплуатации 1200 22.10.2020
Нововоронежская АЭС
№1 ВВЭР-210 Остановлен для вывода из эксплуатации г. Нововоронеж, Воронежская обл. 210 30.09.1964
№2 ВВЭР-365 Остановлен для вывода из эксплуатации 365 27.12.1969
№3 ВВЭР-440 Остановлен для вывода из эксплуатации 440 27.12.1971
№4 ВВЭР-440 В эксплуатации 440 28.12.1972
№5 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 31.05.1980
Нововоронежская АЭС-2
№1 ВВЭР-1200 В эксплуатации г. Нововоронеж, Воронежская обл. 1200 27.02.2017
№2 ВВЭР-1200 В эксплуатации 1200 31. 10.2019
Ростовская АЭС
№1 ВВЭР-1000 В эксплуатации г. Волгодонск, Ростовская обл. 1000 30.03.2001
№2 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 16.03.2010
№3 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 27.12.2014
№4 ВВЭР-1000 В эксплуатации 1000 02.02.2018
Смоленская АЭС
№1 РБМК-1000 В эксплуатации г. Десногорск, Смоленская обл. 1000 09.12.1982
№2 РБМК-1000 В эксплуатации 1000 31. 05.1985
№3 РБМК-1000 В эксплуатации 1000 17.01.1990
Академик Ломоносов
№1 КЛТ-40 В эксплуатации г. Певек, Чукотский автономный округ 35 22.05.2020
№2 KLT-40 В эксплуатации 35 22.05.2020
Обнинская АЭС
№1 АМ Остановлен для вывода из эксплуатации г. Обнинск, Калужская обл. 5 26.06.1954

Проводники и диэлектрики


Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.  

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. 

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств. 

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц. 

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос). 

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно. 

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы. 

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах. 

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля. 

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника. 

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным. 

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника. 

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы. 

Полупроводниками являются кремний и германий.

Статья по теме: Электрический ток и его скорость

Как в одном атоме умещается вся физика / Хабр

Большинство людей, представляя себе атом, рисуют в воображении небольшое ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого двигаются один или несколько электронов. Это представление основано на интерпретации квантовой механики, основанной на частицах. Но для описания атомов в стандартных условиях его недостаточно.

Если вы хотите раскрыть секреты Вселенной, вам только и нужно, что допрашивать её, пока она не выдаст ответы в такой форме, в какой вы сможете их понять. При взаимодействии двух квантов энергии – будь то частицы или античастицы, массивные они или безмассовые, фермионы или бозоны – его результат в принципе может рассказать вам о правилах и законах, которым подчиняется эта система. Если мы будем знать о всех возможных вариантах результатов любого взаимодействия, включая их относительные вероятности – только тогда мы сможем говорить о том, что понимаем, что происходит.

Удивительно, но всё, что мы знаем о Вселенной, можно так или иначе привязать к самой скромной из всех известных нам сущностей: к атому. Атом – это мельчайшая единица материи, всё ещё сохраняющая уникальные характеристики макроскопического мира, такие, как физические и химические свойства. И при этом это фундаментально квантовая сущность, со своими уровнями энергии, свойствами и законами сохранения. Более того, этот непримечательный атом связан со всеми четырьмя известными фундаментальными взаимодействиями. В единственном атоме на самом деле можно увидеть всю физику. И вот, что она может рассказать нам о Вселенной.

От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных. В человеческом теле содержится порядка 1028 атомов.

Здесь на Земле существует около 90 элементов, появившихся естественным путём – в результате протекания создавших их космических процессов. По сути, элемент – это атом, чьё ядро состоит из протонов, (и возможно) нейтронов. Вокруг ядра находятся несколько электронов, чьё количество равно количеству протонов. У каждого элемента есть свой набор свойств, среди которых:

  • твёрдость,
  • цвет,
  • температура плавления и кипения,
  • плотность (количество массы на объём),
  • проводимость (насколько легко электронам двигаться при появлении электрического напряжения),
  • электроотрицательность (насколько сильно атомное ядро держится за электроны, будучи в связке с другими атомами),
  • энергия ионизации (сколько энергии требуется на выбивание электрона),

а также множество других. Интересно, что определяет тип атома (и, следовательно, все его свойства) всего одна величина: количество протонов в ядре.

Разнообразие атомов и управляющие движущимися по орбите вокруг ядер электронами – идентичными частицами — квантовые правила позволяют без преувеличения сказать, что всё под Солнцем состоит из атомов – в том или ином виде.

Атомным и молекулярным комбинациям несть числа. Но конкретные комбинации этих составляющих, присущие определённому материалу, определяют его свойства. Принято считать, что алмазы – это самое твёрдое вещество на Земле, но на самом деле это и не самый прочный материал в принципе, и не самый прочный из природных материалов. На сегодня известно уже шесть более прочных материалов, и ожидается, что их количество будет только расти.

Каждый атом с уникальным набором протонов в ядре формирует уникальные связи с другими атомами, благодаря чему типов молекул, ионов, солей и более крупных структур может быть почти бесконечное количество. Друг на друга субатомные частицы воздействуют в основном при помощи электромагнитных сил. В итоге со временем формируются макроскопические структуры, которые мы наблюдаем не только на Земле, но и по всей Вселенной.

Общим свойством всех атомов является наличие у них массы. И чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем больше масса атома. И хотя это квантовые сущности, а диаметр одного атома не превышает одного ангстрема, дальность действия гравитации ничем не ограничена. Любой объект, обладающий энергией– включая и энергию покоя, придающую частицам массу – будет искривлять ткань пространства-времени согласно общей теории относительности Эйнштейна. Какой бы малой масса не была, каким бы ни было малым расстояние, кривизна пространства-времени, вызванная любым количеством атомов — будь то 1057 атомов в звезде, 1028 атомов в человеческом теле, или один атом гелия – будет происходить точно в соответствии с ОТО.

Появление массы в пустой трёхмерной решётке заставляет её линии искривляться определённым образом. Они как бы вытягиваются в сторону массы. Искривление пространства из-за гравитационного воздействия Земли – это один из способов визуализации гравитации, и фундаментальное отличие общей теории относительности от специальной.

Также в атомах есть электрически заряженные частицы. Протонам присущ положительный электрический заряд; нейтроны нейтральны; заряд электронов равен по величине и противоположен по знаку заряду протонов. Все протоны с нейтронами связаны в атомном ядре диаметром всего в 10-15 м (фемтометр), а электроны находятся в облаке в 100 000 раз большего размера. Каждый электрон находится на своём уникальном энергетическом уровне, и может переходить с уровня на уровень только с дискретным изменением энергии.

Это примечательно по двум причинам. Во-первых, когда один атом приближается к другому (или к группе атомов), они могут взаимодействовать. На квантовом уровне их волновые функции могут накладываться, и атомы связываются вместе в молекулы, ионы и соли. У этих связных структур есть свои уникальные формы и конфигурации электронных облаков. Соответственно, у них есть свои уникальные уровни энергии, поглощающие и испускающие фотоны только с определёнными длинами волн.

Атомные электронные переходы в атоме водорода и длины волн возникающих фотонов демонстрируют энергию связей и взаимоотношение электрона и протона в квантовой физике.

Эти электронные переходы в атоме или группе атомов уникальны: они свои для каждого атома или конфигурации из группы атомов. Обнаружив спектральные линии атома или молекулы – неважно, поглощения или испускания – можно сразу же сказать, что это за атом или молекула. Внутренние электронные переходы согласуются с уникальным набором энергетических уровней, и переходы электронов недвусмысленно свидетельствуют о типе и конфигурации атома/атомов.

По всей Вселенной атомы и молекулы подчиняются одним и тем же правилам: законам классической и квантовой электродинамики, управляющими всеми заряженными частицами. Даже внутри самого атомного ядра, состоящего из обладающих зарядом кварков и глюонов без электрического заряда, электромагнитные связи играют важнейшую роль. Эта внутренняя структура объясняет, почему магнитный момент протона почти в три раза сильнее магнитного момента электрона (и имеет противоположный знак), а у нейтрона магнитный момент почти в два раза больше, чем у электрона, и имеет тот же знак.

У самого низкого энергетического уровня водорода (1S) слева вверху очень плотное вероятностное электронное облако. У более высоких энергетических уровней облака похожи, но имеют более сложную структуру. Для первого возбужденного состояния есть две независимых конфигурации: 2S и 2P, у которых из-за почти неуловимого эффекта получаются разные энергетические уровни.

Хотя электрическое взаимодействие работает на довольно больших расстояниях – на самом деле, как и у гравитации, у него тоже нет никаких ограничений – электрическая нейтральность атома в целом играет невероятно важную роль в понимании поведения всей Вселенной. Электромагнитное взаимодействие невероятно сильно – два протона отталкиваются с силой, в 1036 раз превышающей их гравитационное притяжение!

Но поскольку привычные нам макроскопические объекты состоят из такого количества атомов, и поскольку атомы сами по себе электрически нейтральны, мы что-то замечаем, только если:

  • у объекта имеется электрический заряд, как у заряженного электроскопа,
  • когда заряд перетекает с места на места, как при ударе молнии,
  • когда заряды разделяются, создавая электрический потенциал, как в аккумуляторе.

Один из простейших и интересных примеров этих процессов можно увидеть, натерев воздушный шарик о собственную футболку, а потом попробовать прислонить его к волосам или стене. Шарик прилипнет, поскольку переход или перераспределение небольшого количества электронов придаёт объекту заряд, способный преодолеть силу гравитации. Это

силы Ван-дер-Ваальса

, они действуют между молекулами, и даже объекты в целом нейтральные могут оказывать электромагнитное взаимодействие, которое на небольших расстояниях способно противостоять гравитации.

Если потереть два разных материала, к примеру, ткань и пластик, можно перенести заряды с одного на другой, в результате чего оба объекта окажутся заряженными.

На классическом и квантовом уровнях в атоме закодировано огромное количество информации, связанное с электромагнитными взаимодействиями, при этом «классической» (не квантовой) ОТО достаточно для объяснения когда-либо встреченных нами атомных и субатомных взаимодействий. Если забраться в атом ещё глубже, вовнутрь протонов и нейтронов, можно раскрыть природу и свойства оставшихся фундаментальных взаимодействий: слабого и сильного.

Опускаясь на фемтометровые масштабы, сначала вы начнёте замечать влияние сильного взаимодействия. Впервые оно проявляется между разными нуклонами – протонами и нейтронами, из которых состоит любое ядро. Электрическое взаимодействие между двумя нуклонами либо отталкивает их (заряды протонов одинаковые), либо не возникает (зарядов у нейтронов нет). Но на малых расстояниях работает взаимодействие, ещё более сильное, чем электромагнитное: сильное взаимодействие, работающее между кварками через обмен глюонами. Разные протоны и нейтроны могут обмениваться парами кварков-антикварков – мезонами – это связывает их в ядре, и при подходящей конфигурации преодолевает силу электромагнитного отталкивания.

Отдельные фотоны и нейтроны не обладают «цветом», а содержащиеся внутри них кварки – обладают. Обмен глюонами может происходить не только внутри протона или нейтрона, но и между протонами и нейтронами, благодаря чему возникают связи внутри ядра.

В глубине атомного ядра сильное взаимодействие проявляет себя по-другому: отдельные кварки постоянно обмениваются глюонами. Кроме гравитационного заряда (массы) и электромагнитного заряда, присущего материи, есть ещё и заряд, характерный для кварков и глюонов: цветной. Они не просто всегда притягиваются, как гравитация, или обладают двумя зарядами, которые могут отталкиваться или притягиваться, как электрические. У них есть три независимых цвета – красный, зелёный и синий – и три антицвета. Встречаются они только в «бесцветной» комбинации, в которой комбинируются все три цвета (или антицвета), или же сочетаются комбинации цвет-антицвет.

Удерживает протоны и нейтроны в целости обмен глюонами – в особенности, когда кварки отдаляются, и сильное взаимодействие увеличивается. Чем больше энергии вы можете передать через столкновение с субатомными частицами, тем больше кварков, антикварков и глюонов сможете увидеть. Похоже на то, будто бы внутренности протона заполнены целым морем частиц, и чем сильнее его бить, тем более липкими они становятся. Углубляясь на величину максимальной доступной нам энергии, мы всё равно не видим ограничения на плотность этих субатомных частиц внутри атомных ядер.

Протон – это не просто три кварка с глюонами. Это целое море плотных частиц и античастиц. Чем подробнее мы изучаем протон, чем больше энергии тратим на неупругие столкновения, тем больше внутренней структуры мы в нём находим.

Но не всякий атом способен вечно жить в стабильной конфигурации. Многие атомы испытывают радиоактивный распад – рано или поздно испускают на одну или несколько частиц, что фундаментально меняет их свойства. Самый распространённый вид распада – альфа-распад, при котором нестабильный атом выплёвывает ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Второй по распространённости тип – бета-распад, при котором атом выплёвывает электрон и антиэлектронное нейтрино, а один из нейтронов ядра превращается в протон.

Для этого требуется ещё одна новая сила: слабое ядерное взаимодействие. Зависит оно от своего типа заряда – слабого, представляющего собой комбинацию слабого гиперзаряда и слабого изоспина. Слабый заряд оказалось чрезвычайно сложно измерить, поскольку слабое взаимодействие в миллионы раз слабее сильного или электромагнитного – пока вы не перейдёте на чрезвычайно малые масштабы, типа 0,1% диаметра протона. Слабое взаимодействие можно наблюдать в подходящем атоме, готовом к бета-распаду. Получается, что все четыре фундаментальных взаимодействия можно прозондировать, просто изучая атом.

Схематичное изображение бета-распада массивного атомного ядра. Нейтрон превращается в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняются энергия и импульс.

Из этого следует нечто примечательное: если взять любую частицу Вселенной, даже пока не открытую, но подверженную одному из этих взаимодействий, она также будет взаимодействовать и с атомами. Через взаимодействия с частицами, находящимися внутри ничем не примечательного атома, мы открыли огромное количество частиц – в том числе, всяческие типы нейтрино и антинейтрино. Атом – это и то, из чего мы состоим, и окно в истинную природу материю.

Чем глубже мы заглядываем в строительные кирпичики материи, тем лучше мы понимаем и природу самой Вселенной. Только допрашивая Вселенную на предмет того, каким правилам подчиняются все частицы и античастицы, и как они связываются друг с другом, мы можем разобраться в её устройстве. И пока наука и технология, подвластные нам, позволяют зарываться всё глубже, обидно было бы отказываться от исследований только потому, что они не могут гарантировать нам какое-нибудь новое революционное открытие. Единственное, что известно точно: если мы не будем зарываться глубже, мы так ничего и не найдём.

Наука на расстоянии

Наука на расстоянии Наука на расстоянии

Конспект лекций

проверка

Используйте этот раздел, чтобы проверить точность ваших конспектов лекций. Убедитесь, что вы записали в свои заметки следующие определения, пояснения и важные понятия.

Физическая структура. Часть первая

Атомы

Атом — это наименьшая единица чистого вещества или элемента, которая может существовать и при этом сохранять свойства исходного вещества или элемента.
    Ключевые идеи:
  • обычных веществ, таких как воздух, вода, дерево и ткань, представляют собой смеси материалов и могут быть химически или физически разложены на более простые вещества.
  • чистое или элементарное вещество не может быть разбито на более мелкие или более простые составляющие без потери всех своих первоначальных свойств; такие чистые вещества называются элементами .
  • каждый элемент состоит из одинаковых частиц материи, называемых атомами .
  • все атомы в чистом веществе или элементе идентичны друг другу, но отличаются от атомов в другом элементе.
  • 92 природных элемента и еще 13 созданных в лаборатории.

Атомы Жизни

Три самых распространенных элемента на Земле — это кислород, кремний и алюминий; в живых организмах наиболее распространены шесть элементов: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера.
    Ключевые идеи:
  • уникальные химические свойства всего нескольких атомов определяют форму и функции всех живых существ.
  • Физические и химические свойства всех элементов являются результатом возникновения субструктуры их атомов.

Субатомные частицы

Есть три типа субатомных частиц, которые встречаются в атомах всех элементов, кроме одного.
    Ключевые идеи:
  • протоны — это небольшие положительно заряженные частицы, масса которых по определению составляет одну единицу (одну а. е.м.).
  • нейтроны — нейтральные частицы без электрического заряда, также с массой в одну единицу (одну а.м.у.).
  • электроны очень маленькие отрицательно заряженные частицы с очень малой массой, которой можно пренебречь.

Атомная субструктура

Каждый атом имеет одинаковую субструктуру с плотным положительно заряженным центром (иногда называемым атомным ядром ), окруженным рассеянным, быстро движущимся рядом отрицательно заряженных частиц.
    Ключевые идеи: В центре атома всегда находится
  • протонов. В центре атома всегда находится
  • нейтронов.
  • электронов всегда обнаруживаются распределенными в быстро движущихся диффузных облаках или орбиталях определенного объема и формы на различных расстояниях от атомного центра.
  • в сбалансированном нейтральном атоме число протонов всегда равно числу электронов.
  • Большая часть атома — это пустое пространство.
  • Сумма масс всех протонов и нейтронов в атоме называется атомной массой .
  • количество протонов в атоме называется атомным номером

Физические свойства атомов

Два важных физических свойства всех атомов зависят от их атомной массы и относительного количества протонов и нейтронов в центре атома.
    Ключевые идеи:
  • масса или вес атома зависит от количества содержащихся в нем протонов и нейтронов.
  • атомов элементов, которые содержат больше протонов и нейтронов, имеют большую общую массу.
  • некоторые элементы имеют диапазон или серию атомных масс, в которых число протонов всегда постоянно, а число нейтронов варьируется.
  • некоторые из этих устройств нестабильны, и атомы самопроизвольно взрываются и испускают излучение; это радиоактивных формы элемента.

Изотопы

Изотопы — это семейства атомов, которые имеют одинаковый атомный номер, но разные атомные массы.
    Ключевые идеи:
  • водород — это элемент с тремя изотопами.
  • наиболее распространенная форма водорода (обозначается в химических обозначениях как H ) имеет один протон в центре и не содержит нейтронов.
  • Другая форма водорода, называемая дейтерием, имеет один протон и один нейтрон.
  • третья форма водорода, называемая тритием, имеет один протон и два нейтрона.
  • атомная субструктура трития нестабильна и радиоактивна.

Электронные устройства

Электроны заряжены отрицательно и поэтому притягиваются к положительно заряженным протонам в центре атома. Они также отталкиваются отрицательными зарядами других электронов. Электроны содержат фиксированное количество энергии, и этот уровень энергии определяет, насколько близко или далеко они расположены от атомного центра.
    Ключевые идеи:
  • баланс всех сил содержания энергии и зарядов определяет объем или форму пространства, которое электрон может занять вокруг атомного центра атома.
  • электронов находятся в зонах, называемых энергетическими уровнями на все большем расстоянии от центра атома.
  • энергетический уровень, ближайший к атомному центру, является самым маленьким и самым низким по энергии. Этот уровень занимают электроны с низкой энергией.
  • следующий энергетический уровень по большей части находится дальше от атомного центра. Электроны на этом энергетическом уровне содержат больше энергии, чем на первом.
  • только два электрона могут одновременно находиться на первом энергетическом уровне.
  • только максимум восемь электронов могут одновременно занимать второй энергетический уровень.

Орбиты

Поскольку они диффундируют и перемещаются вокруг ядра, электроны ограничены определенными объемами или формами пространства, называемыми орбиталями .
    Ключевые идеи:
  • только максимум два электрона могут находиться на любой одной орбитали или занимать ее в любой момент времени.
  • самый низкий энергетический уровень имеет только одну орбиталь в форме сферы, называемую орбиталью 1s .
  • два электрона — это максимальное количество электронов, находящихся на этой орбите в любой момент времени.
  • второй энергетический уровень имеет четыре орбитали.
  • орбиталь 2s имеет форму сферы и содержит максимум два электрона.
  • есть три 2p-орбитали, которые имеют форму гантели и снова содержат максимум два электрона каждая.

Атомная стабильность

Атомы наиболее стабильны и наименее реактивны, когда их внешний энергетический уровень либо полностью заполнен электронами, либо полностью свободен от электронов.
    Ключевые идеи: Водород
  • , имеющий только один электрон на первом энергетическом уровне, химически активен.
  • гелий с двумя электронами на первом энергетическом уровне инертен и практически не имеет химических или реакционных свойств (первый энергетический уровень не заполнен).
  • натрий имеет один электрон на внешнем энергетическом уровне, он очень реактивен.
  • хлор имеет семь электронов на внешнем энергетическом уровне, он тоже очень реактивен.
  • Химические свойства элемента очень сильно зависят от числа электронов, которые атомы этого элемента имеют на внешнем энергетическом уровне.

Стабильность I: ионы

Один из способов перехода атома в более стабильное состояние состоит в том, чтобы получать или терять электроны со своего самого внешнего энергетического уровня до тех пор, пока энергетический уровень либо не заполнится, либо не опустеет от электронов.
    Ключевые идеи:
  • атом водорода может отдать свой один электрон со своего первого энергетического уровня.
  • этот энергетический уровень теперь свободен от электронов, и результирующая атомная форма более стабильна.
  • оставшаяся атомная частица теперь состоит из одного протона с положительным зарядом, который больше не нейтрализуется электроном.
  • эта атомная частица теперь называется ионом .
  • атомов элемента хлора имеют семь электронов на внешнем энергетическом уровне.
  • эти атомы хлора легко принимают отданные электроны, чтобы заполнить этот энергетический уровень.
  • новая атомная частица теперь имеет дополнительный отрицательно заряженный электрон, который не нейтрализуется протоном в центре атома, но это более стабильное расположение атомов.
  • эта атомная частица теперь представляет собой отрицательно заряженный ион хлора.
  • ионизация — это термин, используемый для обмена электронами таким образом и образования положительно или отрицательно заряженных атомных частиц.

Стабильность II: совместное использование

Атомы могут объединяться вместе и обмениваться электронами между собой.Атомы, имеющие общие электроны, связаны друг с другом в форме, называемой молекулой , которая находится в более низком энергетическом состоянии, чем любой из отдельных атомов.
    Ключевые идеи:
  • когда два атома водорода приближаются друг к другу, их положительно заряженные центры притягиваются к отрицательно заряженным электронным облакам, окружающим противоположный атом.
  • на определенном расстоянии друг от друга два крайних энергетических уровня (и орбитали) сливаются вместе и образуют единую сложную молекулярную орбиталь .
  • эта новая орбиталь теперь содержит два электрона, по одному от каждого атома в отношениях совместного использования.
  • это новое расположение более стабильно, чем исходное расположение.
  • требуется энергия, чтобы разделить эти атомы, поэтому атомы остаются вместе, как если бы они были связаны энергетическим клеем .
  • эти силы, удерживающие атомы вместе, называются ковалентными связями .
  • одинарная ковалентная связь удерживает два атома вместе, когда они имеют два общих электрона.

Метан: органическая молекула

Атомы разных элементов могут делиться электронами, образовывать между собой ковалентные связи и создавать сложные молекулы.
    Ключевые идеи: У углерода
  • на самом внешнем энергетическом уровне всего четыре электрона.
  • углерод может делиться этими четырьмя электронами и получать четыре электрона от других атомов, образуя таким образом четыре ковалентные связи.
  • водород имеет только один электрон на внешнем энергетическом уровне.
  • водород может разделить этот электрон, образуя одну ковалентную связь.
  • один атом углерода и четыре атома водорода могут объединиться.
  • каждый атом водорода разделяет два электрона (один от атома водорода, один от атома углерода) с атомом углерода, образуя ковалентную связь.
  • полученная молекула имеет один атом углерода в центре и четыре атома водорода, прикрепленные к нему четырьмя ковалентными связями.
  • это молекула под названием метан .
  • молекул, состоящих из углерода и водорода, соединенных ковалентными связями, часто называют органическими молекулами , потому что они впервые были обнаружены в живых организмах.

Молекула воды

Молекула воды состоит из одного атома кислорода, соединенного с двумя атомами водорода двумя ковалентными связями. Электроны в этих связях не распределяются между атомами поровну. Этот тип ковалентной связи называется полярной .
    Ключевые идеи:
  • кислород является электроотрицательным элементом.
  • электронов тесно связаны с атомом кислорода.
  • в совместном устройстве между атомом кислорода и атомом водорода (ковалентная связь) электроны проводят больше времени рядом с атомом кислорода или вокруг него, чем атом водорода.
  • атом кислорода приобретает небольшой отрицательный заряд (из-за присутствия дополнительных электронов).
  • атомы водорода приобретают небольшой положительный заряд (от оставшегося протона, который не полностью нейтрализуется недостающими электронами).
  • молекула воды, таким образом, имеет небольшое, очень слабое распределение электрического заряда; положительный над атомами водорода и отрицательный над атомом кислорода.
  • вода представляет собой полярную молекулу.

Особые свойства воды I: жидкость

Полярность молекулы воды придает ей некоторые особые свойства, первое из которых заключается в том, что вода является жидкостью при комнатной температуре.
    Ключевые идеи:
  • вода представляет собой небольшую молекулу, меньшую, чем молекулярный кислород.
  • кислород — это газ при комнатной температуре, тогда как вода — это жидкость.
  • вода полярна, со слабым положительным и отрицательным зарядом на водородном и кислородном компонентах молекулы.
  • положительный заряд одной молекулы воды притягивает отрицательный заряд соседней молекулы воды, и они ненадолго удерживаются вместе.
  • эта крошечная сила притяжения называется водородной связью .
  • миллиарды и миллиарды водородных связей образуются и разрываются между молекулами воды каждую секунду.
  • сумма всех этих притяжений удерживает молекулы воды ближе друг к другу, чем если бы эти притяжения не образовались.
  • Состояние вещества, поглощенного совокупностью молекул воды, является состоянием жидкости, а не газа.
  • нагревание молекул воды приводит к увеличению кинетической энергии, большему движению и разрыву водородных связей.
  • при достаточно высоких температурах вода превращается в газ (пар).

Особые свойства воды II: растворитель

Растворитель – это жидкость, в которой растворяются другие твердые вещества и жидкости.Вода является почти универсальным растворителем, в котором в той или иной степени растворяется большинство других веществ.
    Ключевые идеи:
  • вода может растворить больше веществ, чем любой другой растворитель.
  • a растворенное вещество представляет собой растворенное вещество.
  • Степень растворения растворенного вещества в воде зависит от природы и распределения электрических зарядов, которые оно имеет или может развить.
  • ионы, имеющие сильный положительный или отрицательный заряд, легко и быстро растворяются в воде.Электрические заряды молекул растворенного вещества притягиваются к полярным зарядам молекул воды.
  • такие вещества называются гидрофильными что означает водолюбивыми .
  • Молекулы
  • , такие как метан и другие подобные молекулы (такие, как обнаруженные в углеводородах — см. ниже), не имеют зарядов на своей поверхности и неполярны.
  • между водой и этими типами молекул нет притяжения, поэтому они образуют границу на поверхности раздела, в которой молекулы одного типа остаются с одной стороны, а молекулы другого типа остаются с другой стороны.
  • все такие вещества гидрофобны означают боятся воды


Наука на расстоянии
© 1997, 1998, 1999, 2000, профессор Джон Блэмайр

10 увлекательных и забавных научных фактов об атомах

10 увлекательных и забавных научных фактов об атомах

октябрь 2018 г.

Как много вы знаете об атомах? Проверьте свои знания с помощью этих увлекательных фактов.

  1. Все во Вселенной состоит из атомов. Они являются основными строительными блоками всех типов материи во Вселенной.
  2. Атомы невероятно малы, их диаметр составляет одну десятую миллиардной метра. Они настолько малы, что их не видно даже под мощным микроскопом. Из-за того, что они такие маленькие, для создания чего-либо требуются триллионы атомов, например, в вашем теле 7 миллиардов миллиардов миллиардов атомов.
  3. Атом состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами.Эти субатомные частицы — электроны, протоны и нейтроны.
  4. Существует более 100 различных видов атомов – 92 природных и 8 искусственных. Различные виды атомов основаны на количестве электронов, протонов и нейтронов. Атомы также могут изменяться в результате химических реакций и объединяться в молекулы.
  5. Различные типы и количество атомов соединяются вместе, образуя разные элементы, и комбинируются по-разному, создавая разные типы материи, каждая из которых имеет свое уникальное количество протонов, нейтронов и электронов.
  6. В центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Ядро чрезвычайно плотное и содержит всю массу атома. Поскольку ядро ​​так трудно расщепить, атомы могут существовать вечно.
  7. Нейтроны не имеют заряда. Количество нейтронов в ядре играет важную роль в определении массы атома и радиоактивности.
  8. Протоны — положительно заряженные частицы в ядре атома. Каждый элемент в природе или созданный в лаборатории имеет по крайней мере один протон.Масса протона такая же, как у нейтрона, но в 1840 раз больше массы электрона.
  9. Электроны — это отрицательно заряженные частицы, вращающиеся вокруг ядра снаружи. Они вращаются так быстро, что ученым бывает трудно их наблюдать. Их притягивает положительный заряд протонов, и они являются мельчайшими частицами в атоме — в протон можно поместить 2000 таких частиц.
  10. Атом в основном представляет собой пустое пространство. Каждый атом на 99,9% состоит из пространства, потому что электроны вращаются так далеко от ядра.

Хотите узнать больше об атоме? Чтобы получить больше науки, больше удивительных фактов и больше удовольствия, запишитесь сейчас в наши научные лагеря и классы, где дети могут учиться, экспериментировать, исследовать и играть!

Химия, жизнь, Вселенная и все такое

Мелани М. Купер и Майкл В. Климковски

 

 Если бы в результате какого-то катаклизма все научные знания были бы уничтожены и только одно предложение было бы передано следующему поколению существ, какое утверждение содержало бы больше всего информации в наименьшем количестве слов? Я полагаю, что это атомистическая гипотеза (или атомный факт, или как бы вы это ни назвали), что все вещи состоят из атомов — маленьких частиц, которые движутся в постоянном движении, притягивая друг друга, когда они находятся на небольшом расстоянии друг от друга, но отталкиваются от того, чтобы быть втиснутыми друг в друга.В этом одном предложении, как вы увидите, содержится огромное количество информации о мире, если только приложить немного воображения и размышлений. – Нобелевский лауреат Ричард Фейнман, 1963 г.

Большинство из нас хорошо знакомы с основным принципом атомной теории — идеей о том, что материя состоит из атомов, — потому что нам говорили, что это так с детства. Но сколько из нас на самом деле, и мы имеем в виду , действительно , верят в это, используют его в нашей повседневной жизни, понимают его значение или знают причины, по которым оно считается истинным? Это кажется совершенно и совершенно невозможным и невероятным, потому что мы не воспринимаем атомы напрямую, и легко прожить жизнь вполне успешно, по крайней мере для подавляющего большинства из нас, не воспринимая атомы всерьез.Мозг среднего человека просто не устроен так, чтобы верить в реальность таких вещей, как атомы, конкретным и повседневным образом. Тем не менее, большинство ученых и уж точно большинство химиков согласятся с тем, что в обманчиво простом утверждении Фейнмана содержится суть химии.

Атомная теория также важна для понимания значительного числа основополагающих концепций биологии и физики, не говоря уже о геологии, астрономии, экологии и технике. Как в одном предложении может содержаться столько информации? Можем ли мы действительно объяснить такой обширный и разнообразный набор научных наблюдений, имея так мало информации? В следующих двух главах мы расширим предложение Фейнмана, чтобы увидеть, что можно сделать, проявив немного воображения и размышлений. В то же время стоит помнить, что тот факт, что атомы настолько нереальны с точки зрения нашего повседневного опыта, означает, что атомная теория представляет собой серьезный барьер для понимания современной химии. Это барьер, с которым можно справиться только в том случае, если вы четко осознаете его и попытаетесь справиться с ним и приспособиться к нему. Вы будете перестраивать свой мозг, чтобы серьезно относиться к атомам и их последствиям. Мы понимаем, что это непростая задача. Это требует усилий, и большая часть этих усилий будет включать в себя самоанализ, решение проблем и ответы на вопросы.В важном смысле вам не нужно верить в атомы, но вы должны понимать их.

Вы почти наверняка слышали об атомах, и весьма вероятно, что вас учили о них. Если вас спросят, вы можете заявить, что верите в их реальность. Вы могли бы согласиться с тем, что материя во всех ее формах состоит из атомов — частиц, которые являются мельчайшими объектами, сохраняющими идентичность элемента (мы обсудим элементы более подробно в следующих нескольких главах). что вас учили, что атомы состоят из еще более мелких частиц: положительно заряженных протонов, незаряженных нейтронов и отрицательно заряженных электронов.Возможно, вы даже слышали и, возможно, даже верите, что протоны и нейтроны можно разделить на кварки и глюоны, а электроны неделимы. Столь же трудно понять, что все атомы организованы очень похожим образом, с очень крошечным, но относительно тяжелым, положительно заряженным ядром, окруженным гораздо более легкими отрицательно заряженными электронами.

Частично трудность в понимании атомов заключается в том, что силы, удерживающие атомное ядро ​​вместе, так называемые сильные и слабые силы, действуют на таких бесконечно малых расстояниях, что мы не ощущаем их непосредственно.Это контрастирует с электромагнетизмом и гравитацией, которые мы ощущаем непосредственно, потому что они действуют на более длинных, макроскопических или видимых расстояниях. Вторая проблема связана с тем, что для восприятия мира нам необходимо использовать энергию; в атомном масштабе энергия, используемая для наблюдения за системой, также возмущает ее. Это основа принципа неопределенности Гейзенберга, с которым вы, возможно, уже сталкивались или хотя бы слышали, и к которому мы еще вернемся. Наконец, объекты атомного и субатомного масштаба ведут себя не так, как макроскопические объекты, с которыми мы обычно взаимодействуем.Частица света, фотон, электрон, протон или нейтрон ведут себя и как частица, и как волна. С точки зрения физики это не частицы и не волны; они являются квантово-механическими частицами. К счастью, более странное поведение атомных и субатомных сущностей часто, но не всегда, можно игнорировать в химических и биологических системах. Мы будем касаться этих тем по мере необходимости.

Современная теория утверждает, что каждый атом содержит очень, очень маленькое, но очень плотное ядро, которое содержит протоны и нейтроны и окружено электронами.Эти электроны относительно легки, но пространство, занимаемое движущимися электронами, составляет большую часть объема атома. Поскольку количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов одинаково, а размер зарядов одинаков, но противоположен, атомы в целом электрически нейтральны; то есть каждый положительно заряженный протон уравновешивается отрицательно заряженным электроном.

Часто определение атома содержит некоторые формулировки о том, что атомы являются наименьшими частицами, которые можно идентифицировать как этот элемент.Что мы подразумеваем под этим? Например, может ли атом иметь химические свойства? И как ансамбли одних и тех же частиц, то есть протонов, электронов и нейтронов, могут иметь разные свойства? Это тайна атома, и ее понимание лежит в основе химии. В этой первой главе мы надеемся дать вам базовое представление об атомной структуре и межатомных взаимодействиях. Последующие главы расширят и углубят это понимание.

Вопросы для размышления

  • Если бы вам пришлось объяснять неученому, почему ученые принимают идею о том, что все материальные объекты состоят из атомов, какие доказательства вы бы использовали?
  • Влияет ли способность науки объяснить так много о мире на ваше представление о реальности сверхъестественных сил?

Мы предполагаем, что у вас есть много идей об атомах, но задумывались ли вы когда-нибудь, как мы пришли к тому, что эта информация является разумной, или что реальность атомов подразумевает в отношении того, как ведет себя мир, который мы воспринимаем? Атомы невероятно и невообразимо малы. Атом золота с его полным набором электронов имеет диаметр менее нанометра (1 x 10 90 416 –9 90 417 метров), а его ядро, содержащее 79 протонов и обычно около 116 нейтронов, имеет радиус ~1,5 x 10 90 416 – 14 метров. Хотя эти размеры на самом деле невообразимы, в Интернете есть ряд занятий, которые могут помочь вам смириться с масштабами атомов. Вы никак не сможете увидеть атом своим глазом или световым микроскопом, хотя в настоящее время существуют методы, которые позволяют нам просматривать компьютерные изображения отдельных атомов с помощью различных типов электронных и силовых микроскопов.Мельчайшая частица материи, которую вы можете увидеть невооруженным глазом, содержит больше атомов, чем людей в мире. Каждая клетка вашего тела содержит огромное количество атомов. Очевидно, что все, что мы знаем об атомах, основано на косвенных данных; мы не воспринимаем непосредственно атомы.

Полная история того, откуда мы знаем то, что мы знаем о существовании и структуре атомов, увлекательна, сложна и, возможно, к счастью для вас, слишком длинна, чтобы вдаваться в подробности. Что мы действительно хотим сделать, так это рассмотреть ряд ключевых моментов, иллюстрирующих, как наши представления об атомах возникли и изменились с течением времени.Мы представим доказательства, которые сделали принятие атомной теории неизбежным, если вы хотите объяснить и управлять химическими реакциями и поведением материи.

Атомная теория является примером научной теории, которая зародилась как спекуляция и благодаря ограничениям, обусловленным тщательным наблюдением, экспериментированием и логической последовательностью, со временем превратилась в подробный набор идей, которые делают точные предсказания и способны объяснить возрастающую ряд разнообразных и часто неизвестных ранее явлений.По мере того как ученые делали новые наблюдения, атомная теория адаптировалась, чтобы учесть и систематизировать эти наблюдения.

Ключевой особенностью научных идей, в отличие от других типов идей, является не то, правильны они или нет, а то, являются ли они логически связными и позволяют ли делать однозначные, наблюдаемые и, как правило, количественные предсказания. Они говорят нам, что искать, и предсказывают, что мы обнаружим, если посмотрим или измерим это. Когда мы смотрим, мы можем обнаружить, что мир ведет себя так, как было предсказано, или что происходит что-то другое.Если мир отличается от того, что предполагают наши научные представления, то мы предполагаем, что упускаем что-то важное: либо наши представления нуждаются в изменении, либо, возможно, мы неправильно смотрим на мир. Как мы увидим, типы наблюдений и экспериментальных данных о материи становились все более точными, сложными и часто абстрактными, то есть не являлись частью нашего непосредственного опыта. Некоторые из этих наблюдений может быть довольно трудно понять, потому что материя ведет себя на атомном и субатомном уровне совершенно иначе, чем в обычном макроскопическом мире.Это макроскопический мир, который эволюционные процессы приспособили нас понимать или, по крайней мере, справляться с ним, и с которым мы знакомы. Тем не менее, если мы хотим быть научными, мы должны идти туда, куда нас ведут данные. Если мы получим результаты, которые не согласуются с нашей интуицией и текущими теориями, нам придется пересмотреть эти теории, а не игнорировать данные.

Однако ученые склонны быть консервативными, когда дело доходит до пересмотра хорошо зарекомендовавших себя теорий, потому что новые данные иногда могут вводить в заблуждение.Это одна из причин, по которой так много внимания уделяется воспроизводимости. Отдельный отчет, каким бы тщательным он ни был, может быть неверным или неверно истолкованным, и способность других ученых воспроизвести наблюдение или эксперимент является ключом к его принятию. Вот почему в науке не бывает чудес. Тем не менее, смысл наблюдения не всегда очевиден или однозначен; чаще всего наблюдение, которое на первый взгляд кажется революционным, на самом деле имеет простое и даже скучное объяснение.Поистине революционные наблюдения немногочисленны. Это одна из причин, по которой ученые так часто цитируют цитату Карла Сагана (1934–1996) « Экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств» . В большинстве случаев, когда сообщается о революционных данных, последующие исследования показывают, что результаты были получены из-за плохого плана эксперимента, небрежности или какого-то не относящегося к делу фактора. Тот факт, что не у всех нас есть энергетические установки холодного синтеза, приводящие в движение вечные холодильники в наших домах, свидетельствует о том, что принятие скептического подхода, ожидающего экспериментального подтверждения, является мудрым.

Распространенное заблуждение о научных теориях состоит в том, что они представляют собой просто идеи, которые кто-то придумал под влиянием момента. В повседневном использовании слово «теория» вполне может означать идею или даже догадку, гипотезу или рабочее предположение, но в науке слово «теория» используется для объяснений, которые охватывают и объясняют широкий спектр наблюдений. Теория должна быть больше, чем просто объяснение, она должна быть хорошо проверена и делать четкие предсказания, касающиеся новых наблюдений или экспериментов. Например, теория эволюции предсказывала, что в летописи окаменелостей будут обнаружены свидетельства существования животных, обладающих многими чертами современного человека. Это было предсказание, сделанное до того, как были обнаружены такие окаменелости; с тех пор были обнаружены и продолжают обнаруживаться многие окаменелости человекоподобных организмов. На основе этих открытий и сравнительного анализа строения организмов можно предложить правдоподобные генеалогические деревья, известные как филогении, соединяющие разные типы организмов. Современные методы молекулярной генетики, в частности секвенирование генома (ДНК), подтвердили эти предсказания и предоставили убедительную экспериментальную поддержку нынешнему представлению о том, что все организмы, живущие в настоящее время на Земле, являются частью одной семьи, то есть у них есть общий предок, живший миллиарды лет назад. лет назад.Теория эволюции также предсказывает, что чем старше горные породы, тем больше будут отличаться найденные окаменелые организмы от современных организмов. В горных породах возрастом около 410 миллионов лет мы находим окаменелости различных видов рыб, но не тех, которые существуют сегодня. Мы не находим свидетельств существования людей того периода; на самом деле нет ни млекопитающих, ни рептилий, ни насекомых, ни птиц.

Научная теория также считается фальсифицируемой, что не означает, что она ложна, а скорее то, что ее ложность может быть доказана экспериментами или наблюдениями.Например, было бы трудно согласовать нынешнюю теорию эволюции с открытием ископаемых кроликов из пород старше 300 миллионов лет. Точно так же атомная теория потребовала бы серьезного пересмотра, если бы кто-то обнаружил элемент, не вписывающийся в периодическую таблицу; Законы термодинамики пришлось бы пересмотреть, если бы кто-то разработал успешный вечный двигатель. Теория, которую можно слишком легко адаптировать к любым новым данным, не имеет реальной научной ценности.

Вторая основополагающая предпосылка науки заключается в том, что все теории ограничены природными явлениями; то есть явления, которые можно наблюдать и измерять прямо или косвенно. Объяснения, которые ссылаются на сверхъестественное или абсолютно субъективное, по определению не являются научными, потому что невозможно провести вообразимый эксперимент, который мог бы тем или иным образом подтвердить их достоверность. В важном смысле не имеет значения, верны эти сверхъестественные объяснения или нет; они остаются ненаучными.Представьте себе инструмент, который мог бы обнаруживать присутствие ангелов. Если бы такой инструмент можно было построить, ангелов можно было бы изучать с научной точки зрения; их количество и перемещения можно было отслеживать, а также анализировать их структуру и поведение; может быть даже возможно предсказать или контролировать их поведение. Таким образом, они перестанут быть сверхъестественными и станут просто еще одной частью природного мира. Учитывая эти допущенные произвольные ограничения науки как дисциплины и предприятия, довольно удивительно, насколько хорошо наука объясняет (и позволяет нам манипулировать) мир вокруг нас.В то же время наука по существу ничего не может сказать о смысле окружающего нас мира, хотя зачастую трудно не спекулировать смыслом на основе современных научных представлений. Учитывая, что все теории являются предварительными и могут быть пересмотрены или отвергнуты, возможно, было бы мудро не использовать научные идеи для определения того, что хорошо, а что плохо в каком-либо моральном смысле.

Как мы увидим, история атомной теории изобилует примерами того, как одна теория оказывалась неадекватной, после чего ее приходилось пересматривать, расширять, а иногда и полностью заменять более новой теорией, дающей проверяемые объяснения как старых, так и новые экспериментальные данные.Это не означает, что первоначальная теория обязательно была полностью ложной, а скорее то, что она не могла полностью охватить наблюдаемую Вселенную или точно предсказать новые наблюдения. Старые теории обычно исключаются по мере появления новых; на самом деле новая теория должна объяснять все, что объяснялось старой, и даже больше.

Ответы на вопросы: Научные вопросы и теории:

  • Как бы вы решили, можно ли ответить на конкретный вопрос с научной точки зрения?
  • Как бы вы определили, является ли ответ на вопрос научным?
  • В чем разница между научным и ненаучным вопросом? Приведите пример каждого.

Вопросы для размышления

  • В каких вещах есть атомы? Воздух, золото, клетки, тепло, свет?
  • Откуда вы знаете, что атомы существуют?

Современные атомные теории уходят своими корнями в мышление древних народов, в частности древнегреческих философов, живших более 2500 лет назад. В то время культурный, экономический и интеллектуальный климат в Древней Греции допускал огромный всплеск философского и научного развития, так называемое греческое чудо.В то время как большинство людей того времени считали, что миром правит когорта полуразумных богов, ряд философов, начиная с Фалеса Милетского (умер в 546 г. до н. как то, из чего мы сделаны и откуда мы пришли. Как мы теперь знаем, они не могли понять основную природу материи, потому что у них не было инструментов для наблюдения и экспериментов на атомном уровне. Однако это не означает, что их идеи были простыми досужими домыслами.Идеи, которые они выдвинули, хотя и не были научными в современном понимании этого термина, содержали замечательные идеи, некоторые из которых кажутся верными.

Эта эпоха породила новый подход к изучению природных явлений, чтобы понять их сложность и разнообразие с точки зрения естественных объяснений. Стоит учитывать, что такой рациональный подход не обязательно должен быть продуктивным; может быть, мир на самом деле является совершенно иррациональным, неустойчивым и немеханическим местом, которым постоянно манипулируют сверхъестественные силы; но учитывая, что наука не может обратиться к такого рода идеям, давайте просто оставим их авторам фэнтези.Предположение, что миром правят исключительно силы природы, оказалось чрезвычайно продуктивным; то есть в соответствии с тем, как выглядит мир, когда мы смотрим на него беспристрастно.

Древние греки разработали сложные представления о природе Вселенной и материи, из которой она состоит, некоторые из которых долгое время были приняты. Однако в ответ на более тщательное наблюдение и экспериментальный анализ эти идеи в конечном итоге были заменены теориями, основанными на доказательствах. По большей части это включало процесс, посредством которого люди серьезно относились к старым идеям и пытались объяснить мир и манипулировать им на их основе. Когда их наблюдения и манипуляции не давали ожидаемых или желаемых результатов, таких как превращение неблагородных металлов в золото, лечение болезней или полное избегание смерти, они были более или менее вынуждены пересматривать свои идеи, часто отказываясь от старых идей в пользу новых, которые казались работать.

Развитие атомных теорий переплетается с представлениями о фундаментальной природе материи, не говоря уже о происхождении Вселенной и ее эволюции.Большинство греческих философов считали, что материя состоит из некоторого набора основных элементов, например, знакомых нам земли, воздуха, огня и воды. Некоторые философы предполагали наличие пятого элемента, известного как квинтэссенция или эфир. Эти явно неадекватные идеи сохранились и сегодня как часть астрологии и знаков Зодиака — плохая дань уважения некоторым очень серьезным мыслителям.

Считалось, что первоначальные элементы, то есть земля, воздух, огонь и вода, состояли из крошечных неразрушимых частиц, названных атомами Левкиппом и Демокритом (которые жили около 460 г. до н. э.).Предполагалось, что атомы разных элементов имеют разный размер и форму, и их форма напрямую определяет свойства конкретного элемента. Например, атомы земли считались кубическими; их плотная упаковка делала землю твердой и трудноподвижной. Идея о том, что структура атомов определяет наблюдаемые свойства материала, — это та идея, к которой мы будем возвращаться в несколько иной форме снова и снова. Хотя детали были неверны, основная идея оказалась верной.

В дополнение к своей форме считалось, что атомы также находятся в постоянном движении, основываясь на наблюдении за движением пылинок в солнечном свете, между которыми нет ничего или пустоты. Много столетий спустя проведенный Эйнштейном анализ этого типа движения, известного как броуновское движение, обеспечил убедительную экспериментальную поддержку физической реальности молекул, более крупных структур, состоящих из атомов, и связи между молекулярным движением, температурой и энергией, которую мы рассмотрим позже. в этой главе.

В целом, совокупность представлений греческих философов, насколько они могли судить, обеспечила непротиворечивую и удовлетворительную основу для объяснения поведения материи. Здесь очень легко попасть в ловушку, а именно в том, что удовлетворительное объяснение явления не обязательно верно. Даже если оно кажется непротиворечивым, полезным или утешительным, объяснение не является научным, если оно не делает проверяемых количественных предсказаний. Например, считалось, что разные материалы состоят из разных пропорций четырех древних элементов.Кости были сделаны из воды, земли и огня в соотношении 1:1:2, тогда как плоть состояла из этих элементов в соотношении 2:1:1. Хотя эти идеи сейчас считаются странными, они содержат предзнаменование «закона кратных пропорций», который наступит примерно через 2300 лет и с которым мы будем иметь дело позже в этой главе. Некоторые философы даже думали, что душа состоит из атомов или что сами атомы имеют форму сознания, две идеи, которые сегодня кажутся нам (большинству) совершенно чуждыми.

Такие представления об атомах и элементах давали логичное и рациональное, то есть несверхъестественное объяснение многих свойств материи. Но греки были не единственными древними людьми, которые придумали объяснения природы материи и ее поведения. На самом деле считается, что корень слов «алхимия» и «химия» — это древнегреческое слово «хем», греческое название Египта, откуда, как считается, возникли алхимия и химия. Подобные теории разрабатывались примерно в то же время в Индии, хотя именно греческие представления об атомах были сохранены и использованы людьми, которые в конечном итоге разработали наши современные атомные теории.С течением времени древние представления об атомах и материи были сохранены историками и летописцами, в частности учеными арабского мира. В средние века в Европе и в средние века было несколько разрозненных возрождений идей об атомах, но только в эпоху Возрождения культурный и интеллектуальный климат снова позволил относительно свободно расцветать идеям. Это включало размышления о природе материи, атомов и жизни. Экспериментальные исследования, основанные на этих идеях, привели к их пересмотру и в конечном итоге к появлению науки, какой мы ее знаем сейчас.Также стоит помнить, что этому относительному взрыву новых идей время от времени, а иногда и решительно противостояли религиозные институты, что приводило к пыткам, заключению и казням.

Ответы на вопросы: 

  • Какие свойства, приписываемые греками атомам, мы до сих пор считаем действительными?

Вопросы для размышления: 

  • Если бы у земли были атомы кубической формы, какую форму вы бы приписали элементам воздуха, воды и огня?

Вопросы на потом

  • Если атомы находятся в постоянном движении, как вы думаете, что заставляет их двигаться?

Греческое представление об атомах и элементах сохранилось на протяжении многих столетий и, в конце концов, было дополнено еще несколькими элементами, главным образом благодаря усилиям алхимиков. Некоторые элементы, такие как золото, были обнаружены гораздо раньше — в основном потому, что они существуют в виде элементов, а не соединений. К концу восемнадцатого века начало приниматься представление об элементе как о субстанции, которую нельзя разложить на более фундаментальные субстанции. В 1789 году Антуан Лавуазье (1743–1794) составил список из 33 элементов. В его список не входили земля, воздух, огонь и вода, но он содержал свет и тепло, а также ряд современных элементов, включая кобальт, ртуть, цинк и медь.Уже было установлено, что кислород и водород являются элементами, а вода — нет. Были подготовлены условия для быстрого роста наших знаний о базовой структуре материи. Сейчас мы знаем о 91 природном элементе и о большом количестве неестественных, т. е. рукотворных, которые не встречаются в природе, потому что они неустойчивы. Эти созданные человеком элементы тяжелее в атомном отношении, чем встречающиеся в природе элементы, и обычно образуются путем столкновения атомов природных элементов друг с другом; они быстро распадаются или распадаются на атомы других элементов. В качестве примера того, как наука может снять некоторые тайны со Вселенной: наше понимание атомов и элементов означает, что никакие новые естественные, легкие элементы теоретически невозможны. Мы знаем обо всех легких элементах, которые могут существовать где угодно во Вселенной, и это довольно удивительный факт. Точно так же наше нынешнее понимание общей теории относительности и законов термодинамики делает невозможными путешествия со скоростью, превышающей скорость света, и вечные двигатели, хотя и не мешает людям размышлять о них.

Первое современное химическое выделение элемента приписывается алхимику Хеннигу Бранду (ок. 1630–ок. 1710). Он выделил фосфор из мочи в погоне за философским камнем. Хотя это может показаться странным, люди совершали гораздо более странные поступки в погоне за золотом или лекарствами от таких болезней, как сифилис. Каково же было его удивление, когда после выпаривания всей воды из мочи остаток воспламенился и выделил газ, который при конденсации дал твердое вещество, светящееся зеленым в темноте. Именно по этой причине он назвал его фосфором, от греческого слова «носитель света». Точно так же ртуть первоначально была выделена путем обжига минеральной киновари. Несмотря на то, что ртуть довольно токсична, она использовалась для лечения сифилиса до открытия эффективных антибиотиков.

Ответы на вопросы

  • Учитывая то, что вы знаете, как бы вы объяснили разницу между атомом и элементом?
  • Что отличает один элемент от другого?
  • В чем разница между атомом и молекулой?
  • В чем разница между элементом и соединением?

Вопросы для размышления

  • Какие доказательства могут быть использованы, чтобы доказать, что вы выделили новый элемент?
  • Когда недоказанные/необоснованные предположения могут быть научными?
  • При каких условиях такие предположения полезны?
  • Как вы думаете, почему золото было признано элементом раньше многих других?

Важно отметить, что со времени возникновения первых представлений об атомах и в течение тысячелетий после этого не было ни малейшего доказательства дисперсионной природы материи или физического существования атомов. Идея атомов была чисто продуктом воображения, и хотя о природе материи велись бурные споры, эти споры не могли быть разрешены научно до тех пор, пока так или иначе не были получены объективные эмпирические доказательства.

Итак, возникает вопрос, как ученые в девятнадцатом веке в конце концов получили четкие доказательства существования атомов? Мы уже говорили, что атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть любым прямым методом. Так что же привело ученых к неизбежному выводу, что материя состоит из отдельных атомов? Часто приходится делать огромный интуитивный скачок, чтобы объяснить результаты научных наблюдений.Например, история об Исааке Ньютоне (1643–1727) и падающем яблоке отражает эту истину, а именно замечательное предположение о том, что движение Земли вокруг Солнца, траектория пушечного ядра и падение яблока на Землю все из-за общего основного фактора, силы тяжести, которая действует на расстоянии и подчиняется обратной квадратичной зависимости, 1/r2, где r — расстояние между двумя объектами. Это кажется довольно странным и довольно преувеличенным предположением; как работает это «действие на расстоянии» между двумя объектами? Тем не менее, с научной точки зрения, он оказался очень мощным и удивительно точным.Дело в том, что Ньютон смог разобраться в данных, что отнюдь не тривиально. Это требует способности к глубокому, оригинальному и сложному мышлению. Тем не менее, только когда Альберт Эйнштейн (1874-1955) предложил свою общую теорию относительности в 1915 году, не было последовательного механистического объяснения гравитационных сил.

Первая научная теория строения атома была предложена Джоном Дальтоном (1766–1844), квакером-самоучкой, жившим в Манчестере, Англия. В 1805 году Дальтон опубликовал свою атомную теорию, чтобы объяснить наблюдаемый закон кратных или определенных пропорций, который кратко формулировался так: «когда элементы соединяются, они делают это в отношении небольших целых чисел». Мы вернемся к этой идее позже. гораздо более подробно.Удивительно, но Дальтон так и не объяснил, что побудило его предложить свою атомную теорию, хотя он определенно использовал ее для объяснения существующих правил о том, как соединяются различные элементы. Среди этих правил было наблюдение, что общее количество вещества, присутствующего в системе, не изменяется во время химической реакции, хотя реакция может привести к переходу из твердого состояния в газообразное или наоборот. Атомная теория Дальтона (1805 г.) имела ряд важных компонентов:

  • Элементы состоят из маленьких неделимых, неразрушимых частиц, называемых атомами.
  • Все атомы элемента идентичны и имеют одинаковую массу и свойства.
  • Атомы данного элемента отличаются от атомов других элементов.
  • Соединения образованы комбинациями атомов двух или более элементов.
  • Химические реакции происходят из-за перегруппировки атомов, а атомы (материя) не создаются и не разрушаются во время реакции.

Основываясь на этих принципах, он смог объяснить многие из сделанных им и другими наблюдений о том, как материя ведет себя и реагирует.Более современные атомные теории внесли некоторые модификации, например, включив в них существование атомных изотопов, то есть атомов с разным числом нейтронов, но одинаковым числом протонов и электронов, и превращение энергии в материю и наоборот, но Основные идеи Дальтона остаются в силе.

Ответы на вопросы

  • Чем атомная теория Дальтона отличается от идей греческих философов?
  • Какие принципы теории Дальтона актуальны и сегодня?
  • Спланируйте эксперимент, чтобы выяснить, изменяется ли масса при изменении фазы воды.Какие данные вы бы собрали? Как бы вы это проанализировали?

Вопросы для размышления

  • Как Дальтон пришел к выводу, что полуатомов не существует?
  • Какие части теории Дальтона были необоснованными предположениями, а какие были основаны на прямом наблюдении?

Противоположностью правильному утверждению является ложное утверждение. Но противоположностью глубокой истине вполне может быть другая глубокая истина. Нильс Бор (1865–1962)

Теория Дальтона об атомах как о неделимых, неразрушимых объектах разного размера, веса и, возможно, формы, в зависимости от элемента, просуществовала почти 100 лет, хотя существовали значительные разногласия по поводу того, действительно ли атомы существуют, особенно среди философов. К 1900 году химики почти повсеместно приняли атомную теорию. Стало накапливаться больше свидетельств, открывалось больше элементов, и даже появилась возможность подсчитать количество атомов в том или ином образце. Первый шаг в этом направлении сделал Амедео Авогадро (1776–1856). В 1811 г. он предположил, что в условиях равных температуры и давления равные объемы газов содержат одинаковое число частиц (молекул) и что плотности газов, т. е. их вес, деленный на их объем, пропорциональны весу отдельные молекулы.Это было расширено австрийским школьным учителем Йозефом Лошмидтом (1821–1895), который в 1865 году объединил вывод Авогадро с предположением, что атомы и молекулы движутся во многом подобно упругим объектам, например бильярдным шарам. Это позволило ему рассчитать силу, которую будет оказывать молекула при движении с определенной скоростью, которую трудно измерить, и связать ее с давлением, которое легко измерить. На самом деле это предположение позволило физикам сделать вывод, что температура газа связана со средней кинетической энергией молекул в нем, и мы вскоре к этому вернемся.

Исследование субструктуры атомов

Первоначальное предположение греков состояло в том, что атомы неделимы, практически неизменны с момента их первоначального создания. Однако постепенно начали накапливаться доказательства того, что атомы не являются ни неделимыми, ни неразрушимыми. Доказательства существования частиц меньшего размера, чем атомы, накапливались в течение некоторого времени, хотя и не были признаны таковыми. Например, давно известное явление статического электричества было известно еще древним грекам.Название «электричество» происходит от латинского «electricus», что означает «подобный янтарю». При натирании янтаря мехом образуется статическое электричество — искра того же типа, что прыгает с вашего пальца на дверную ручку или другого человека в сухую погоду. В конце 1700-х годов Луиджи Гальвани (1737–1798) обнаружил, что животные могут производить электричество и реагировать на него, возможно, самым ярким примером являются электрические угри и скаты, которые оглушают свою добычу электрическим током. Открытие биоэлектричества использовалось во многих романах и фильмах, начиная с романа Мэри Шелли (1797–1851) «Франкенштейн» и заканчивая романом Мела Брука (р.1926) комедия «Молодой Франкенштейн». Гальвани обнаружил, что лапка мертвой лягушки дергается в ответ на воздействие статического электричества; казалось, что он вернулся к жизни, как чудовище Франкенштейна. Он предположил, и оказалось правильно, что электрическая активность участвует в нормальном движении животных. Он думал, что особая форма электричества, биоэлектричество, переносится в жидкости внутри мышц и является уникальным продуктом биологических систем, типом силы, характерной для жизни.Теперь мы признаем, что ряд биологических явлений, таких как сокращение мышц и активность мозга, инициируются изменениями электрических полей (через мембраны) и что лежащие в их основе физико-химические принципы аналогичны тем, которые имеют место в небиологических системах.

Ажиотаж вокруг электричества и его возможных применений побудил Алессандро Вольта (1745–1827) разработать первую современную батарею, теперь известную как гальванический столб. Он чередовал листы из двух разных металлов, таких как цинк и медь, с дисками, пропитанными соленой водой (рассолом).Он произвел первый устойчивый электрический ток, который при воздействии на мышцы лягушки заставлял их сокращаться. Такие наблюдения показали, что биологические системы могут как генерировать электрические токи, так и реагировать на них, предполагая, что биоэлектричество ничем не отличается от любой другой формы электричества. Чего не знали ни Вольта, ни Гальвани, так это природы электричества. Что именно это было и как оно перетекало с места на место? Что было в искре, перескочившей с пальца на металлическую дверную ручку или с веревки воздушного змея Бенджамина Франклина (1705–1790) на его палец? Из чего была сделана эта «электрическая жидкость»?

Прогресс в понимании природы и поведения электричества продолжался на протяжении 19-го века, и сила электричества была использована для того, чтобы произвести кардинальные изменения в образе жизни и работы людей, питая фабрики, освещая дома и улицы и так далее. И все же не было глубокого понимания физической природы электричества. Было известно, что электрический заряд существует в двух формах, положительной и отрицательной, и что эти заряды сохраняются; то есть их нельзя было создать или разрушить, идеи, впервые предложенные Франклином. Электрическая (заряженная) природа материи была хорошо установлена, но неизвестно, откуда взялись эти заряды и чем они были.

Ключевым шагом к пониманию электричества стало раскрытие идеи неделимого атома и серия экспериментов Дж.Дж. Томпсон (1856–1940), еще один манкунианец. Хотя теперь идея электричества была хорошо оценена, Томпсон и другие ученые хотели изучить ее более контролируемым образом. Они использовали то, что было и теперь известно как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Когда-то распространенные в телевизорах, теперь их заменили различные устройства с плоским экраном. ЭЛТ представляют собой стеклянные трубки со встроенными в них проводами; эти провода соединены с металлическими дисками. Внутренняя часть трубки покрыта химическим веществом, которое светится (флуоресцирует) в ответ на электричество. Обычно у них есть отверстия в стенках, которые можно подключить к вакуумному насосу, чтобы можно было удалить большую часть воздуха из трубки, обычно затем отверстия закрывают. При подключении к источнику электричества, такому как гальваническая батарея, флуоресцентный материал на одном конце трубки светится. В серии экспериментов (1897 г.) Томсон смог показать, что:

  • Лучи выходят из одного диска (катод) и переходят в другой (анод).
  • «катодных» лучей отклонялись электрическими полями в направлении, указывающем на то, что они были заряжены отрицательно.
  • Лучи также могут отклоняться магнитными полями.
  • Лучи несли электрический заряд; то есть, если луч искривлялся, например, магнитным полем, вместе с ним уходил и заряд.
  • Металл, из которого сделан катод, не влиял на поведение луча; таким образом, каким бы ни был состав луча, он казался независимым от элемента, из которого исходил.

Во всех этих экспериментах следует подчеркнуть, что «положительный» и «отрицательный» означают противоположное и назначаются по соглашению. Это означает, что завтра мы могли бы решить, что положительное было отрицательным, а отрицательное — положительным, и ничего не изменилось бы, пока мы были последовательны. Из этих экспериментов Томпсон сделал вывод, что «катодные» лучи переносятся дискретными заряженными частицами, он назвал их корпускулами и присвоил этим частицам отрицательный заряд. Но поистине ошеломляющий вывод, к которому он пришел, заключался в том, что эти частицы должны исходить из атомов металлического катода . Поскольку тип металла не влиял на природу или поведение катодных лучей, он предположил, что эти частицы не были созданы заново, а должны были предсуществовать внутри атомов катода.Более того, он выдвинул гипотезу о том, что одинаковые частицы должны присутствовать во всех атомах, а не только в атомах одного конкретного металла. Видите, как он переходит от экспериментальных результатов с использованием нескольких металлов ко всем элементам и всем атомам? Конечно, теперь мы знаем эти частицы как электроны, но трудно представить, какое огромное влияние эта новая теория оказала на ученых того времени.

Поскольку электроны могут производиться всеми химическими элементами, мы должны заключить, что они входят в состав всех атомов.Таким образом, мы сделали первый шаг к пониманию строения атома.  — Дж. Дж. Томсон, Атомная теория, 1914

Открытие электрона сделало старое представление об атоме как о маленьких неразрушимых объектах, похожих на бильярдный шар, устаревшим и потребовало создания новой модели. Это пример смены парадигмы — фундаментального изменения научного мышления, вызванного новыми данными. Первая версия этой новой модели Томпсона стала известна как модель сливового пудинга. Его основная идея заключалась в том, что атом — это шар из положительно заряженной, но явно аморфной материи с электронами, утыканными то здесь, то там, как изюм в пудинге.Поскольку он содержал равное количество положительных и отрицательных зарядов, вся структура была электрически нейтральной. Последующая работа Томпсона и Роберта А. Милликена (1868–1953) установила, что все электроны идентичны, каждый с одинаковой, очень малой массой и отрицательным зарядом. Масса электрона меньше 1/1000 массы атома водорода.

Предложенная Томпсоном модель атома со сливовым пудингом стимулировала большую экспериментальную и теоретическую работу и привела к значительному количеству последующих открытий.Например, вскоре было установлено, что β-частицы, испускаемые некоторыми радиоактивными минералами и элементами, на самом деле являются электронами. Другие исследования показали, что количество электронов, присутствующих в атомах определенного элемента, примерно пропорционально половине атомного веса элемента, хотя было неясно, почему это должно быть так.

Однако по мере того, как накапливалось все больше и больше данных, от модели сливового пудинга пришлось отказаться, поскольку она просто не могла объяснить наблюдаемое.Ключевой эксперимент, который привел к новой модели атома, был проведен в 1908 году Эрнестом Резерфордом (1871–1937). Как вы, наверное, уже догадались, он работал в Манчестерском университете. В этом эксперименте он исследовал, как альфа (α) частицы, которые, как он знал, были положительно заряженными частицами, состоящими из элемента гелия без его электронов, вели себя, когда ими стреляли в очень тонкий лист металла, такого как золото или платина. В эксперименте узкий параллельный пучок α-частиц направлялся на тонкий лист золотой фольги и регистрировались углы рассеяния отклоненных частиц.Наблюдаемый результат оказался совершенно неожиданным. Вместо того, чтобы пройти прямо через тонкий лист фольги, он обнаружил, что несколько частиц отклонились, некоторые из них под большими углами. Резерфорд писал: «Это как если бы я выстрелил пушечным ядром в кусок папиросной бумаги, и оно тут же отскочило бы назад». Здесь мы снова видим особый аспект научного предприятия, а именно то, что, хотя лишь несколько альфа-частиц отскочили назад, нам все равно нужно объяснить, как это могло произойти. Мы не могли просто сказать: «Отскочило всего несколько частиц, так что это не имеет значения»; мы должны предоставить правдоподобный сценарий, чтобы объяснить наблюдение.Часто внимание и серьезное отношение к неожиданному результату приводит к самым глубоким открытиям.

На основании этих экспериментальных результатов Резерфорд пришел к выводу, что положительно заряженные α-частицы отталкиваются положительными частями атома. Поскольку только очень небольшой процент альфа-частиц был отклонен, только очень небольшая часть каждого атома могла быть заряжена положительно. То есть положительный заряд в атоме не мог быть распределен более или менее равномерно, как предполагалось в модели сливового пудинга; вместо этого он должен быть сконцентрирован в очень маленьком регионе.Это означало, что большая часть атома пуста (помните пустоту древних греков?) или занята чем-то, что оказывает незначительное сопротивление или вообще не оказывает сопротивления прохождению α-частиц. Осталось невыясненным, почему положительно заряженные частицы (которые мы теперь знаем как протоны), сконцентрировавшись в таком малом объеме, не отталкивались друг от друга – ответ на который пришлось ждать до открытия сильного ядерного взаимодействия (см. ниже). Мы снова видим, как ученый делает огромный интуитивный скачок от экспериментального наблюдения к гипотезе, которая согласуется с этим свидетельством и делает конкретные предсказания, которые могут быть подтверждены или опровергнуты дальнейшими экспериментами и наблюдениями. Модель Резерфорда, которая стала известна как планетарная модель, постулировала очень, очень маленькое ядро, в котором сосредоточен весь положительный заряд и почти вся масса атома; это ядро ​​было окружено электронами. В 1920 году Резерфорд определил единицу положительного заряда и назвал ее протоном. В 1932 году Джеймс Чедвик (1891–1974) (который по совместительству учился в Манчестерском университете) идентифицировал второй компонент ядра, нейтрон. Нейтроны тяжелые, как и протоны.На самом деле они немного тяжелее протонов, но не имеют заряда. Идентичность элемента зависит от количества протонов, однако количество нейтронов может быть разным в разных атомах одного и того же элемента. Например, атом углерода всегда имеет шесть протонов, но может иметь разное количество нейтронов. У большинства атомов углерода шесть нейтронов (С-12), но у некоторых семь (С-13), а у некоторых восемь (С-14).

Вопросы на потом

  • Если атомы в основном представляют собой пустое пространство, почему мы не можем проходить сквозь стены?
  • Что такое радиация?
  • Как изменяется атом, испуская альфа-частицу? Или бета-частица/электрон?

Вопросы для размышления

  • Если бы первооткрыватели электричества решили, что электроны имеют положительный заряд, изменило бы это наше понимание электричества?
  • Как вы думаете, почему электроны были первыми открытыми субатомными частицами?
  • Как именно Резерфорд обнаружил альфа-частицы?
  • Можете ли вы придумать альтернативную модель атома, основанную на наблюдениях Резерфорда?
  • Как бы изменился эксперимент, если бы он использовал электроны или нейтроны?

На данный момент мы пришли к относительно простой модели атома. Не волнуйтесь, мы перейдем к более сложным и реалистичным моделям в следующей главе. В этой простой модели атом имеет очень маленькое, но тяжелое ядро, содержащее как протоны, так и нейтроны. Когда мы время от времени говорим о биологии, будьте осторожны, чтобы не спутать ядро ​​атома с ядром клетки; они совершенно разные – кроме того, что они очень разных размеров. Например, вокруг ядра атома нет барьера — атомное ядро ​​представляет собой сгусток протонов и нейтронов.Вокруг атомного ядра находятся электроны в том же количестве, что и протонов. Атом не имеет чистого электрического заряда, так как количество электронов равно количеству протонов.

Однако вопрос о том, где на самом деле находятся электроны в атоме, является более сложным для ответа из-за квантово-механических соображений, в частности из-за принципа неопределенности Гейзенберга, к которому мы вернемся в следующей главе. Сейчас мы собираемся предположить, что электроны находятся вне ядра и движутся.Мы можем думать о них, как если бы они были облаком электронной плотности, а не частицами, летящими вокруг (не волнуйтесь, мы скоро предоставим доказательства этой модели). Эта простая модель фиксирует важные особенности и позволяет нам начать рассматривать, как атомы взаимодействуют друг с другом, образуя молекулы, и как эти молекулы могут перестраиваться — настоящая химия!

На данный момент нам известны четыре основных взаимодействия: гравитация, электромагнитное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие.На данный момент мы можем в значительной степени игнорировать сильное ядерное взаимодействие, которое участвует в удержании ядра вместе: это сила притяжения между нейтронами и протонами и самая сильная из всех известных сил во Вселенной, примерно в 137 раз сильнее, чем электромагнитная сила. Сильное ядерное взаимодействие действует на очень коротких расстояниях, ~10 -15 м, или примерно равно диаметру ядра. Другая сила, участвующая в ядерном поведении, слабое взаимодействие, играет роль в ядерной стабильности, особенно в стабильности нейтронов, но имеет еще более короткий диапазон действия (10 -18 м). Поскольку ядро ​​намного меньше самого атома, мы можем (и будем) игнорировать слабые и сильные ядерные взаимодействия, когда рассматриваем химические взаимодействия. Сила, с которой мы, вероятно, наиболее знакомы, — это гравитация, которая является самой слабой силой, более чем в 10 90 416 -37 90 417 раз слабее, чем электромагнитная сила, и мы можем игнорировать ее с точки зрения химии, хотя она имеет отношение к биологии. динозавров, слонов, китов и космонавтов. Электромагнитная сила ответственна почти за все явления, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни.В то время как мы остаемся на Земле из-за гравитационного взаимодействия между нашим телом и Землей, тот факт, что мы не проваливаемся в центр Земли, полностью обусловлен электромагнитными взаимодействиями. Одна очевидная особенность мира, с которым мы сталкиваемся, заключается в том, что он полон твердых вещей — вещей, которые мешают друг другу. Если бы атомы и молекулы не взаимодействовали друг с другом, можно было бы ожидать, что они смогут проходить сквозь стены, учитывая, что атомы в основном представляют собой пустое пространство, но, очевидно, это не так. Точно так же ваше собственное тело не держалось бы вместе, если бы ваши атомы и образуемые ими молекулы не взаимодействовали. Как мы увидим, все атомы и молекулы притягиваются друг к другу — факт, непосредственно вытекающий из того, что мы знаем о строении атомов и молекул.

Вопросы для размышления

  • Как бы выглядела современная схема атома и что она могла бы объяснить?
  • Почему протоны внутри ядра не отталкиваются друг от друга?
  • Почему электроны и протоны не притягиваются друг к другу и не попадают в ядро?
  • Как взаимодействуют электроны внутри атома?

Вопросы на потом

  • Может ли атом обладать химическими и/или физическими свойствами; Если так, то кто они?
  • Что такое химические и физические свойства? Можете ли вы привести несколько примеров?
  • Что отличает один элемент от другого?

Взаимодействие между атомами: диапазон эффектов

Притяжение и отталкивание между заряженными частицами и магнитами являются проявлениями электромагнитной силы. 2}[/latex].

Разница между двумя силами заключается в следующем: а) гравитационные взаимодействия намного слабее электромагнитных и б) гравитация — это исключительно притягивающее взаимодействие, в то время как электромагнитные взаимодействия могут быть как притягивающими, так и отталкивающими.

Теперь давайте рассмотрим, как атомы взаимодействуют друг с другом. В целом атомы электрически нейтральны, но состоят из дискретных электрически заряженных частиц. Более того, их электроны ведут себя как движущиеся объекты.При усреднении по времени вероятности обнаружения электрона равномерно распределены вокруг атома, атом является нейтральным. Однако в любой момент существует ненулевая вероятность того, что электронов больше с одной стороны атома, чем с другой. Это приводит к мгновенным колебаниям плотности заряда вокруг атома и приводит к мгновенному накоплению заряда; на мгновение одна сторона атома слегка положительна (δ+), а другая сторона слегка отрицательна (δ–). Это создает то, что известно как мгновенный и переходный электрический диполь — это разделение зарядов. Когда один искаженный атом приближается к другому атому, это влияет на распределение электронной плотности второго атома и приводит к так называемому «индуцированному диполю». Так, например, если слегка положительный конец атома расположен рядом с другим атомом, он будет притягивать электрон(ы) в другом атоме. Это приводит к общему притяжению между атомами, которое изменяется как 1/r 6 , где r — расстояние между атомами. Обратите внимание, что это отличается от притяжения между полностью заряженными частицами, кулоновского притяжения, которое изменяется как 1/r2.Что это означает в практическом плане? Ну, и самое главное, это означает, что эффекты взаимодействия будут ощущаться только тогда, когда два атома будут достаточно близко друг к другу.

По мере приближения двух атомов они будут все больше притягиваться друг к другу. Но это притяжение имеет свой предел — когда атомы сближаются достаточно близко, взаимодействия между отрицательно заряженными электронами (и положительно заряженными ядрами) каждого атома очень быстро возрастают, что приводит к общему отталкиванию, которое останавливает два атома, сближающихся так близко. .

Аналогичный эффект наблюдался и в эксперименте Резерфорда. Вспомните, что он ускорял положительно заряженные альфа-частицы по направлению к листу атомов золота. Когда альфа-частица приближается к ядру атома золота, положительно (+2) заряженная альфа-частица и положительно (+79) заряженное ядро ​​атома золота начинают отталкиваться друг от друга. Если бы не было задействовано никаких других факторов, сила отталкивания стремилась бы к бесконечности, когда расстояние между ядрами (r) приближалось к 0. (Вы должны быть в состоянии объяснить, почему.) Но бесконечные силы — это не то, что происходит в макроскопическом, атомном или субатомном мире, хотя бы потому, что полная энергия во Вселенной не бесконечна. Когда расстояние между альфа-частицей и ядром золота приближается к нулю, отталкивающее взаимодействие становится достаточно сильным, чтобы замедлить приближающуюся альфа-частицу, а затем оттолкнуть ее от частицы-мишени. Если частица-мишень тяжелее по сравнению с падающей частицей, как это было в экспериментах Резерфорда, мишень, состоящая из атомов золота, которые весят примерно в 50 раз больше, чем альфа-частица, не будет сильно двигаться, в то время как падающая альфа-частица будет отражаться. прочь.Но если цель и падающая частица имеют одинаковую массу, то обе будут затронуты взаимодействием и обе будут двигаться. Интересно, что если бы падающая частица имела достаточную начальную энергию, чтобы подобраться достаточно близко (в пределах ~10 -15 м) к ядру-мишени, то в игру вступала бы сильная ядерная сила притяжения, которая начинала бы стабилизировать систему. Результатом будет слияние двух ядер и создание другого элемента, процесс, который происходит только в системах с очень высокой энергией, таких как центры звезд или во время звездного взрыва, сверхновой.Мы вернемся к этой идее в главе 3.

Ответы на вопросы

  • Как открытие того, что атомы состоят из частей, меняет атомную теорию Дальтона?
  • Как бы выглядело распределение альфа-частиц относительно падающего луча, если бы положительное ядро ​​занимало весь атом (что-то вроде сливового пудинга)? Что, если бы он занимал 50% атома?
  • Как на самом деле выглядит распределение альфа-частиц (напомним, что 1 из каждых 8000 частиц была отклонена)?

Силы и Энергия: обзор.

Мы хотели бы уделить некоторое время тому, чтобы помочь вам подумать о взаимодействиях (силах) между атомами и молекулами и о том, как эти взаимодействия приводят к изменениям энергии. Эти энергетические изменения ответственны за образование молекул, их реорганизацию посредством химических реакций и макроскопические свойства химических веществ (то есть всего). Хотя вы, возможно, узнали о силах и энергии на уроках физики, скорее всего, эти понятия не были явно связаны с тем, как вещи ведут себя на атомно-молекулярном уровне.Мы собираемся начать с обсуждения взаимодействий и изменений энергии, происходящих под действием силы гравитации, потому что эти идеи почти наверняка вам знакомы, определенно более знакомы, чем электромагнитные взаимодействия, но цель этого раздела состоит в том, чтобы помочь вам установить связь между тем, что вы уже знаете (на макроскопическом уровне), и тем, как эти идеи переносятся на молекулярный уровень, включая сходства и различия. Например, законы движения Ньютона описывают, как ведут себя объекты, когда они вступают в контакт, скажем, когда бейсбольный мяч вступает в контакт с битой. Но часто объекты взаимодействуют друг с другом на расстоянии. После удара по мячу его движения определяются в первую очередь его гравитационным взаимодействием со всеми другими объектами во Вселенной, хотя из-за характера гравитационного взаимодействия, безусловно, наиболее важным является взаимодействие между мячом и Землей (см. ниже). .

Сила — это взаимодействие между объектами, вызывающее притяжение (притяжение) или отталкивание (отталкивание) между этими объектами. При таком взаимодействии происходит изменение энергии объектов.Как отмечалось выше, существует четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерные взаимодействия. Нам еще предстоит рассказать об электромагнитной силе, которая важна для понимания химических взаимодействий, т. е. того, как ведут себя атомы и молекулы. Многие из явлений, с которыми вы знакомы, основаны на электромагнитных силах. Например, электромагнитные силы мешают мячу пройти через летучую мышь или вам не упасть к центру Земли.

Теперь давайте рассмотрим, что происходит, когда вы подбрасываете мяч прямо вверх.Вы прикладываете силу к мячу (за счет действия ваших мышц), и как только он покидает вашу руку, единственная сила, действующая на мяч, — это гравитация (мы, конечно, игнорируем трение из-за взаимодействия с молекулами в воздухе). . Мяч, первоначально находившийся в состоянии покоя, начинает двигаться вверх. Со временем вы наблюдаете, как меняется скорость мяча, когда мяч замедляется, останавливается и падает обратно на землю. Итак, какие силы вызывают эти изменения? Ответ: сила тяжести, которая является функцией масс мяча и Земли, которые не меняются со временем, и расстояния (r) между Землей и мячом, которое изменяется.Эта гравитационная сила F может быть смоделирована уравнением, которое показывает, что она пропорциональна произведению масс шара (M 1 ) и Земли (M 2 ), деленному на квадрат расстояния между объектами. (р).

При гравитационном взаимодействии сила уменьшается по мере увеличения расстояния между объектами (уменьшение пропорционально 1/r 2 ), что означает, что чем дальше вы удаляетесь от Земли, тем меньше сила притяжения между вами и Землей. .Если вы уйдете достаточно далеко и будете удаляться от Земли, взаимодействия будет недостаточно, чтобы удерживать вас притягивающими к Земле, и вы будете продолжать удаляться навсегда.

Конечно, , почему объектов с массой притягиваются друг к другу, является предметом физики и выходит за рамки этого курса. Что мы можем сказать, так это то, что сила опосредована гравитационным полем. Любой объект с массой будет взаимодействовать с другими объектами с массой через это поле. Можно также сказать, что поле передает энергию через пространство между двумя (или более) объектами.То есть взаимодействие приводит к изменению энергии в системе взаимодействующих объектов. В химии нас интересуют как силы, вызывающие взаимодействия, так и возникающие в результате изменения энергии.

Как силы влияют на энергию? Если мы возьмем наш макроскопический пример, когда вы подбрасываете мяч вверх, мы знаем, что вы передаете мячу некоторую энергию. Конечно, возникает вопрос: «Что мы подразумеваем под энергией?» и, к сожалению, у нас нет простого ответа, на самом деле Ричард Фейнман однажды сказал: «В физике мы понятия не имеем, что такое энергия». Физики могут сказать, что энергия — это способность выполнять работу, а затем определить работу как силу, умноженную на расстояние, что на самом деле ни к чему нас не приведет, особенно в химии, где понятие работы часто бесполезно. Что мы можем сказать, так это то, что любые изменения сопровождаются изменениями энергии, и что мы можем рассчитать или измерить эти изменения энергии.

Возможно, вы знакомы с тем, что часто называют «формами энергии», такими как механическая, эластичная или химическая, но на самом базовом уровне все формы энергии, которые нас будут интересовать, могут быть описаны как кинетическая энергия. , потенциальная энергия или электромагнитная энергия (т.грамм. свет). Кинетическую энергию часто называют энергией движения (KE = ½ mv 2 , где m — масса, а v — скорость объекта), а потенциальную энергию — энергией положения, или запасенной энергией (она вычисляется различными способами как мы увидим). Изменения между кинетической и потенциальной формами энергии связаны с силами. Мяч, который вы подбрасываете прямо вверх, а затем падает, имеет изменяющееся количество кинетической энергии (она меняется по мере изменения скорости мяча) и потенциальной энергии (которая меняется по мере изменения расстояния между Землей и мячом.) По мере того, как мяч поднимается, вы можете заметить, что скорость мяча уменьшается, и, следовательно, КЕ уменьшается. В то же время PE увеличивается, так как расстояние между Землей и шаром увеличивается. На спуске все наоборот, мяч начинает двигаться быстрее – КЕ увеличивается, а РЕ уменьшается. Вспомните принцип сохранения энергии; после того, как мяч покидает вашу руку, никакая энергия не добавляется и не отнимается по мере движения мяча, если одна форма энергии увеличивается, другая должна уменьшаться.

Еще один важный момент, касающийся энергии, заключается в том, что она является свойством системы, а не объекта. Хотя может показаться заманчивым считать, что движущийся мяч обладает определенной кинетической энергией, важно помнить, в какой системе отсчета вы рассматриваете мяч. Конечно, скорость мяча связана с КЕ, но эта скорость зависит от того, откуда вы смотрите на мяч. Обычно (почти всегда) мы рассматриваем скорость с точки зрения наблюдателя, который неподвижен, но если бы мы изменили рассматриваемую нами систему и наблюдали за мячом, пока мы также двигались, то скорость мяча была бы другой .Это может показаться довольно абстрактным моментом, но это важно.

Точно так же весьма заманчиво сказать, что у шара есть потенциальная энергия, но на самом деле это тоже не совсем точно. Точнее — и полезнее — сказать, что система шара и Земли обладает потенциальной энергией — опять же, здесь мы рассматриваем системную перспективу. В отличие от кинетической энергии, потенциальная энергия в системе также зависит от силы, действующей на нее, и эта сила является функцией положения объектов, взаимодействующих в гравитационном поле.Например, «без трения» объект, движущийся в пространстве, свободном от полей (гравитационных или иных) с постоянной скоростью, имеет постоянную кинетическую энергию, но не имеет потенциальной энергии.

Потенциальная энергия (часто называемая запасенной энергией) или энергия положения поднимает вопрос – где «запасается» энергия? Полезно думать об этом так: в примере с мячом и Землей эта энергия хранится в гравитационном поле. Таким образом, мы можем принять идею о том, что PE зависит от расстояния между двумя взаимодействующими объектами.Это также позволит нам создать более всеобъемлющую концепцию потенциальной энергии, которая будет полезна в химии, поскольку мы распространяем эти идеи на взаимодействия атомов и молекул. Вы можете спросить, почему тогда можно говорить, что объект обладает кинетической энергией (при условии, что вы указываете систему отсчета), а разница здесь в том, что любой движущийся объект может иметь связанную с ним энергию (например, вы, атом или автомобиль), но потенциальная энергия должна быть связана с объектами, взаимодействующими через поле, будь то гравитационное или электромагнитное.Тем не менее, поля повсюду — во Вселенной нет места, где бы не было полей (хотя их можно сбалансировать, оставив результирующую силу нулевой). Здесь важно то, что 1) вы понимаете, что объекты взаимодействуют, 2) что эти взаимодействия вызывают изменение энергии системы и 3) что силы взаимодействия зависят от расстояния между взаимодействующими объектами (а также других факторов, такие как масса, которые постоянны).

Электромагнитная сила: Хотя гравитационные взаимодействия, во всех смыслах и целях, не имеют отношения к химии (за исключением удержания стакана на лабораторном столе!) система, которую мы можем использовать для изучения электромагнитных взаимодействий, ответственных за поведение атомов и молекул.Есть некоторые важные сходства между гравитационным и электромагнитным взаимодействием; оба действуют на расстоянии, оба опосредованы полями и оба демонстрируют одинаковое отношение между силой и расстоянием. Есть и важные отличия. В контексте химии электромагнитные взаимодействия намного сильнее, и хотя гравитация всегда притягивает, электромагнитные взаимодействия могут быть как притягивающими, так и отталкивающими.

Все электрически заряженные объекты взаимодействуют посредством электромагнитных сил.Как мы уже видели (и вернемся к этому снова), атомы и молекулы состоят из заряженных частиц (электронов и протонов), которые создают неравное распределение заряда, что приводит к одинаковым взаимодействиям. Силу этих взаимодействий между заряженными частицами можно смоделировать с помощью уравнения, закона Кулона. Вы заметите, что его форма похожа на закон всемирного тяготения Ньютона. Однако вместо масс двух взаимодействующих объектов электромагнитная сила зависит от зарядов двух частиц (q 1 и q 2 ).Электромагнитная сила обычно действует на гораздо более коротких расстояниях, чем гравитация, но гораздо сильнее. Это сила, которая влияет на взаимодействие атомов и молекул.

Как и в случае с гравитационной силой, по мере сближения заряженных частиц взаимодействие (будь то притяжение или отталкивание) становится сильнее. Как и гравитация, взаимодействие между заряженными частицами опосредовано полем, передающим энергию между взаимодействующими объектами. Мы можем определить (и рассчитать) типы изменений энергии, которые происходят при взаимодействии частиц.Например, две противоположно заряженные частицы притягиваются друг к другу. По мере их сближения сила притяжения становится сильнее, частицы будут двигаться быстрее — и их кинетическая энергия возрастает. Учитывая тот факт, что энергия сохраняется, потенциальная энергия системы частиц должна уменьшиться в такой же степени. Если, с другой стороны, два заряда одного знака, то сила между ними отталкивающая. Таким образом, если две частицы с одинаковым зарядом движутся навстречу друг другу, эта сила отталкивания уменьшит их скорость (и кинетическую энергию) и увеличит их потенциальную энергию.По мере уменьшения расстояния между частицами отталкивание в конечном итоге приведет к тому, что две частицы будут удаляться друг от друга.

Конечно, вы могли заметить, что есть небольшая проблема с уравнениями, описывающими как гравитационные, так и электромагнитные силы. Если силы изменяются при уменьшении r, что происходит, когда расстояние между взаимодействующими объектами приближается к нулю? Если бы мы полагались на уравнения, которые мы использовали до сих пор, то при приближении r к 0 сила (отталкивающая или притягивающая) приближалась бы к бесконечности. Здесь явно что-то не так, поскольку бесконечные силы невозможны (знаете почему?). Мяч останавливает поверхность Земли — он не падает к центру Земли, а заряженные частицы не сливаются друг с другом (или разлетаются с бесконечной скоростью). Чего нам не хватает? Ну, проблема заключается в идее, что эти уравнения действительно имеют дело с идеализированными ситуациями, такими как точечные заряды или массы, а не принимают во внимание тот факт, что материя состоит из атомов, молекул и ионов.Когда два атома или две молекулы (или две частицы, состоящие из атомов или молекул) приближаются друг к другу, они в конце концов сблизятся настолько, что отталкивание между одноименными зарядами станет сильнее, чем силы притяжения между разноименными зарядами. Как мы увидим, когда кажется, что два макроскопических объекта соприкасаются, на самом деле это не так — их останавливает электрон-электронное отталкивание атомов на поверхности объектов. Мы вернемся ко всем этим идеям, когда будем обсуждать, как атомы и молекулы взаимодействуют на атомно-молекулярном уровне и как ведут себя электроны (квантово-механически).

Взаимодействующие атомы: силы, сохранение и преобразование энергии

Давайте отступим, соберемся с мыслями и подумаем о физике ситуации. Во-первых, помните, что вся материя и энергия изолированной системы сохраняются; это первый закон термодинамики. Как мы упоминали выше, в то время как энергия и материя могут при особых обстоятельствах преобразовываться друг в друга, обычно они остаются разными. Это означает, что в большинстве систем сохраняется общее количество материи и общее количество энергии, и что они разделены.

Итак, давайте рассмотрим положение атомов или молекул в газе. Эти атомы и молекулы беспорядочно движутся в контейнере, сталкиваясь друг с другом и со стенками контейнера. Мы можем думать об атомах/молекулах как о населении. Популяционное мышление полезно для ряда явлений, начиная от радиоактивного распада и заканчивая биологической эволюцией. Для совокупности атомов/молекул в целом существует средняя скорость, и эта средняя скорость является функцией температуры системы. Однако если бы мы внимательно посмотрели на совокупность молекул, то обнаружили бы, что некоторые молекулы движутся очень быстро, а некоторые — очень медленно; есть распределение скоростей и скоростей (скорость + направление).

Когда два атома/молекулы приближаются друг к другу, они будут чувствовать силу притяжения, вызванную искажениями электронной плотности, они известны как лондонские дисперсионные силы, которые мы будем сокращать как ЛДФ. Эффекты этих ЛДФ зависят от силы взаимодействия (то есть величины зарядов и расстояния между ними) и от кинетических энергий атомов и молекул.LDF являются одним из ряда межмолекулярных сил (IMF), которые мы рассмотрим позже. ЛДФ являются основой ван-дер-ваальсовых взаимодействий в биологических системах.

Для упрощения представим очень простую систему: предположим на данный момент, что есть только два изолированных атома, атом1 и атом2. Атомы находятся в покое по отношению друг к другу, но достаточно близко, чтобы притягивающие взаимодействия между ними, основанные на LDF, были значительными. Для этого они должны быть достаточно близкими, так как такие притягивающие взаимодействия быстро уменьшаются, как 1/r 6 , где r — расстояние между двумя атомами.В этот момент система, которую мы определим как два атома, имеет определенное количество энергии. Точное количество не имеет значения, но пока эти два атома остаются изолированными и ни с чем не взаимодействуют, энергия будет оставаться постоянной.

Так какое отношение все это имеет к сближению атомов? Мы можем использовать те же рассуждения, чтобы понять изменения энергии, происходящие при сближении атомов. Изначально система будет иметь определенное количество энергии (кинетическая + потенциальная).Если атомы находятся достаточно близко, чтобы почувствовать воздействие притягивающих ЛДФ, они начинают двигаться навстречу друг другу, представьте себе шар, падающий на Землю, и часть потенциальной энергии, связанной с начальным состоянием атомов, преобразуется в кинетическую энергию. (E K = ½mv 2 ).

По мере сближения ЛДФ становятся сильнее, атомы сильнее притягиваются друг к другу; потенциальная энергия системы уменьшается и превращается в кинетическую энергию, атомы движутся быстрее.Полная энергия остается неизменной до тех пор, пока вокруг нет других атомов. Это продолжается до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что отталкивающие взаимодействия между электронами станут сильнее, а по мере их приближения в игру вступают также отталкивающие взаимодействия между положительно заряженными ядрами, вызывая рост потенциальной энергии в системе. Когда атомы начинают замедляться, их кинетическая энергия снова преобразуется в потенциальную энергию. В конце концов они остановятся, а затем оттолкнутся друг от друга.В этот момент потенциальная энергия будет преобразована обратно в кинетическую энергию. Однако по мере того, как они удаляются, отталкивание сменяется притяжением, и они замедляются; их кинетическая энергия будет преобразована обратно в потенциальную энергию. Если в системе не действуют никакие другие факторы, два атома будут колебаться вечно. На графике зависимости потенциальной энергии от расстояния между атомами видно, что потенциальная энергия системы достигает минимума на некотором расстоянии. Ближе начинают действовать электромагнитные силы отталкивания, дальше преобладают электромагнитные силы притяжения (LDF).Расстояние между двумя атомами зависит от относительной силы взаимодействий притяжения и отталкивания. Однако даже в минимуме в системе есть некоторая потенциальная энергия, запасенная в электромагнитном поле между двумя атомами. При температурах выше абсолютного нуля (0 К) пара атомов также будет иметь кинетическую энергию — поскольку они колеблются взад и вперед.

Здесь у нас есть основной принцип, к которому мы будем возвращаться снова и снова: стабилизирующее взаимодействие всегда снижает потенциальную энергию системы, и, наоборот, дестабилизирующее взаимодействие всегда повышает потенциальную энергию системы.В изолированной системе, состоящей всего из двух атомов, эти колебания будут продолжаться вечно, потому что нет возможности изменить энергию системы. В реальной жизни такой ситуации не бывает, потому что двухатомных систем не бывает. Например, даже в газе, где атомы находятся далеко друг от друга, обычно в системе присутствует большое количество атомов, которые имеют диапазон скоростей и кинетических энергий. Эти атомы часто сталкиваются и передают энергию друг другу. Следовательно, когда два атома сталкиваются и начинают колебаться, часть энергии может передаваться другим частицам в результате столкновений.Если это произойдет, между двумя частицами может образоваться устойчивое взаимодействие; они будут «липнуть» друг к другу. Если приближается больше частиц, они также могут притягиваться, а если их дополнительная энергия передается в результате столкновений, частицы могут образовывать все больший и больший сгусток.

Как мы обсуждали ранее, ЛДФ возникают из-за флуктуаций электронной плотности вокруг ядер и являются общей чертой всех атомов; все атомы/молекулы притягиваются друг к другу таким образом. Расстояние между атомами/молекулами, где это притяжение наибольшее, известно как радиус Ван-дер-Ваальса атома/молекулы. Если атомы/молекулы приближаются друг к другу ближе, чем их ван-дер-ваальсовы радиусы, они отталкиваются друг от друга. Радиус Ван-дер-Ваальса атома характерен для каждого типа атома/элемента. Как упоминалось ранее, только в условиях экстремальных температуры и давления ядра двух атомов могут сливаться вместе, образуя новый тип атома; такое событие ядерного / атомного синтеза приводит к взаимопревращению материи в энергию.

Ответы на вопросы

  • Что такое потенциальная энергия? Можете ли вы привести пример?
  • Что такое кинетическая энергия? Можете ли вы привести пример?
  • Как вы думаете, что такое потенциальная энергия на атомном уровне?
  • Как вы думаете, что такое кинетическая энергия на атомном уровне?
  • Почему повышение температуры влияет на скорость молекулы газа?

Вопросы для размышления

  • Что такое энергия (изменились ли ваши представления по сравнению с предыдущими)?

Вопросы на потом:

  • Когда мы говорим о потенциальной энергии системы, что имеется в виду под системой?
  • Гелий сжижается при температуре около 4К. Что заставляет атомы гелия слипаться? (Почему они не превращаются в газ?)
  • Рассмотрим два атома, разделенных 1 пространственной единицей вместо 4 пространственных единиц. Насколько слабее взаимодействие между более удаленными атомами? Как это соотносится с поведением простых зарядов (а не атомов)?

Теперь давайте взглянем на пару реальных систем. Мы начнем с рассмотрения взаимодействий между простейшими атомами, водородом (H) и гелием (He), и простейшей молекулой, молекулярным водородом (H 2 ).Типичный атом водорода состоит из одного протона и одного электрона, хотя некоторые из них содержат один или два нейтрона и образуют «изотопы», известные как дейтерий и тритий соответственно. Молекула водорода — это совершенно другое химическое образование: она содержит два атома водорода, но ее свойства и поведение совсем другие. Атомы гелия имеют 2 протона и 2 нейтрона в своих ядрах и 2 электрона в своих электронных облаках. Мы рассмотрим более сложные атомы и молекулы после более подробного обсуждения атомной структуры в следующей главе. Одним из преимуществ сосредоточения внимания на молекулярном водороде и гелии является то, что это также позволяет нам ввести, сравнить и кратко рассмотреть как взаимодействия Ван-дер-Ваальса (из-за IMF), так и ковалентные связи; мы сделаем гораздо больше, учитывая позже.

Когда два атома гелия приближаются друг к другу, в игру вступают ЛДФ, и развивается взаимодействие притяжения. В случае Не падение потенциальной энергии из-за взаимодействия весьма мало, т. е. стабилизация из-за взаимодействия, и для того, чтобы расколоть два атома, не требуется много энергии.Эта энергия доставляется за счет столкновений с другими атомами He. На самом деле при атмосферном давлении гелий никогда не бывает твердым и жидким. Он кипит при ~4 К (-268,93°С), всего на несколько градусов выше абсолютного нуля или 0 К (-273,15°С). Это означает, что при всех температурах выше ~4 К кинетической энергии в атомах системы достаточно, чтобы нарушить взаимодействие между атомами Не. Слабость этих взаимодействий означает, что при более высоких температурах, выше 4 К, атомы гелия не «слипаются». Гелий — газ при температуре выше 4 К.

Теперь давайте сравним поведение гелия с поведением водорода (H). Когда два атома водорода приближаются друг к другу, они образуют гораздо более стабильное взаимодействие, примерно в 1000 раз более сильное, чем лондоновские дисперсионные силы He-He. При взаимодействии H–H атомы удерживаются вместе за счет притяжения каждого ядра для обоих электронов. Сила притяжения намного сильнее, и по мере сближения атомов это приводит к большему падению потенциальной энергии и минимуму для двух взаимодействующих атомов водорода, который намного глубже, чем у He-He.Из-за своей принципиально иной устойчивости система H–H получает новое название; он известен как молекулярный водород или H 2 , а взаимодействие между атомами H известно как ковалентная связь. Чтобы снова разделить молекулу водорода на два атома водорода, то есть разорвать ковалентную связь, мы должны подвести энергию. Эта энергия может принимать несколько форм: например, энергия, доставляемая молекулярными столкновениями с окружающими молекулами или поглощением света, приводит к разрыву связи.

Каждый H может образовывать только одну ковалентную связь, что приводит к образованию молекул H–H, которые часто также записывают как молекулы H 2 . Эти молекулы H – H сами притягиваются друг к другу через LDF. Мы можем сравнить энергию, связанную с ковалентной связью H–H и H 2 – H 2 IMF. Чтобы разорвать ковалентную связь H–H, необходимо нагреть систему примерно до 5000 K. С другой стороны, чтобы разрушить межмолекулярные силы между отдельными молекулами H 2 , температура системы должна подняться всего до ~ 20 K; выше этой температуры H 2 является газом.При этой температуре ММП между отдельными молекулами H 2 недостаточно сильны, чтобы противостоять кинетической энергии сталкивающихся молекул. Теперь вы можете спросить себя, почему H 2 кипит при более высокой температуре, чем He? Хороший вопрос! Оказывается, сила LDF зависит от нескольких факторов, включая форму молекулы, площадь поверхности и количество электронов. Например, чем больше площадь поверхности, разделяемая между взаимодействующими атомами или молекулами, тем больше испытывается LDF и тем сильнее результирующее взаимодействие.Другим фактором является способность электронного облака заряжаться, свойство, известное как поляризуемость. Вы можете думать о поляризуемости как о гибкости электронного облака. Грубо говоря, чем дальше от ядра находятся электроны, тем более поляризуемым (гибким) становится электронное облако. Мы вернемся к этой и смежным темам позже. Как мы увидим, более крупные молекулы с более сложной геометрией, такие как биологические макромолекулы (белки и нуклеиновые кислоты), могут взаимодействовать через большую площадь поверхности и поляризуемые области, что приводит к соответственно более сильным взаимодействиям.

К этому моменту вы, вероятно (или должны были бы) задать себе несколько серьезных вопросов, например, почему атомы гелия не образуют ковалентных связей друг с другом? Почему атом водорода образует только одну ковалентную связь? Что происходит при взаимодействии других видов атомов? Чтобы понять ответы на эти вопросы, нам нужно рассмотреть, как различается структура атомов у разных элементов, что является предметом следующей главы.

Ответы на вопросы

  • Можете ли вы нарисовать (примерно 20 атомов гелия, представленных в виде кружков), как выглядел бы твердый гелий, если бы вы могли его увидеть?
  • Чем это будет отличаться от представлений жидкого гелия или газообразного гелия?
  • Теперь сделайте аналогичный рисунок H 2 .Помогает ли это объяснить более высокую температуру плавления H 2 ?

Вопрос для размышления

  • Чем отличаются свойства твердых тел, жидкостей и газов?

Технеций – информация об элементе, свойства и использование

Стенограмма:

Химия в ее стихии: технеций

(Промо)

Вы слушаете Химию в ее стихии, представленную вам Chemistry World , журналом Королевского химического общества.

(Конец промо)

Крис Смит

Привет! Что касается химии в ее стихии, на этой неделе мы встречаемся с человеком, который составил периодическую таблицу, а также слушаем историю об элементе, существование которого он предсказал, но так и не дожил до его открытия. Этим человеком был Менделеев, а с рассказом о технеции, элементе, который он предвидел, Марк Пеплоу.

Марк Пеплоу

“Жил и существовал великий ученый человек, с бородой почти божьей” , так писал Даниил Посин в своей биографии Дмитрия Менделеева, 19 го Века русский ученый приписывают создание периодической таблицы элементов.Рядом со Словацким технологическим университетом в Братиславе стоит скульптура, изображающая Менделеева во всей его волосатой красе прямо в центре солнечного сияния элементов. Скульптура дает понять, что Менделеев не просто счетовод элементов; вместо этого он был творческой искрой их существования.

Некоторое время другие ученые пытались создать способы упорядочения известных элементов. Менделеев создал систему, которая могла предсказывать существование еще не открытых элементов.Вот что сделало эту идею такой революционной. Когда он представил миру таблицу в 1869 году, в ней было четыре заметных пробела, один из которых был чуть ниже марганца, и Менделеев предсказал, что элемент с атомным весом 43 и свойствами, подобными его соседям, заполнит этот пробел. Он назвал недостающий элемент экамарганцем.

После того, как были найдены другие отсутствующие, названные впоследствии скандием, галлием и германием, поиски экамарганца усилились. Были неподтвержденные сообщения о его открытии из России, Японии и, что наиболее убедительно, из Германии, но только в 1937 году группа итальянских ученых во главе с Карло Перрье и Эмилио Сегре из Университета Палермо на Сицилии наконец обнаружила недостающий элемент.В прошлом году Сегре посетил циклотрон Эрнеста Лоуренса в Беркли в Америке, ускоритель частиц, который использовался для разрушения атомов. А в начале 1937 года Лоуренс отправил Сегре кусок дефлекторной фольги с циклотрона, сделанный из молибдена, элемент номер 42, всего на один протон меньше, чем марганец. Теперь Сегре был физиком элементарных частиц. Он даже получил Нобелевскую премию по физике за открытие антипротона. Так что у него не было большого опыта в химии, но у минералога Карло Перье он был, и вместе им в конце концов удалось выделить два радиоактивных изотопа нового элемента, который они назвали технецием.

Название происходит от греческого слова «искусственный», поскольку технеций был самым первым искусственным элементом, однако, несмотря на название, технеций встречается в природе, хотя и в незначительных количествах. Это продукт спонтанного деления урана, и хотя стабильных изотопов технеция не существует, обычно можно найти около нанограмма технеция в каждых 5 кг урановой руды, настурана. Это не значит, что этого материала мало, на самом деле это обычный продукт отходов атомных электростанций, и, по оценкам, за последние полвека в окружающую среду в виде низкоактивных отходов было выброшено несколько тонн технеция.

Но технеций также используется примерно в 20 миллионах процедур медицинской визуализации каждый год. Это зависит от формы технеция, период полураспада которого составляет около 6 часов. Он распадается, испуская гамма-лучи, которые можно обнаружить с помощью специальной камеры. Короткий период полураспада позволяет врачам вводить технеций пациенту, чтобы осветить определенные органы в организме и оценить, насколько хорошо они работают. Соединение атомов технеция с определенными органическими молекулами или фармацевтическими препаратами может даже позволить вам воздействовать на определенные типы тканей.Поскольку технеций не встречается в природе, он не влияет ни на какие биохимические процессы в организме, поэтому он безопасно выводится из организма после процедуры, а поскольку вам нужно так мало изотопа, он удерживает дозу облучения на очень низком уровне.

Менделеев, конечно же, не мог знать, что через 140 лет после того, как он предсказал существование экамарганца, около 50 000 человек в одной только Северной Америке будут получать инъекции этого вещества каждый божий день.

Крис Смит

Марк Пеплоу рассказывает историю технеция.В следующий раз на Химии в ее стихии мы погружаемся на новые глубины.

Филип Болл

Даже искра гламура, которую метал получает от своей связи с величайшей рок-группой мира, проистекает из иа-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и-и) делают, говоря, что они утонут, как свинцовый воздушный шар или дирижабль.

Крис Смит

И вы можете услышать, как писатель-ученый Фил Болл лидирует в выпуске «Химия в ее стихии», который выйдет на следующей неделе. Я Крис Смит, спасибо, что выслушали.Увидимся в следующий раз.

(Акция)

(Конец акции)

протонов, нейтронов и электронов | Глава 4: Периодическая таблица и связь

  • Покажите изображение острия карандаша и то, как атомы углерода выглядят на молекулярном уровне.

    Проецирование изображения Карандашное масштабирование.

    Учащиеся должны быть знакомы с частями атома из главы 3, но обзор основных моментов, вероятно, будет хорошей идеей.

    Задайте учащимся вопросы, например, следующие:

    Из каких трех различных крошечных частиц состоит атом?
    Протоны, нейтроны и электроны.
    Что из этого находится в центре атома?
    Протоны и нейтроны находятся в центре (ядре) атома. Вы можете упомянуть, что водород — единственный атом, который обычно не имеет нейтронов. Ядро большинства атомов водорода состоит всего из 1 протона.Небольшой процент атомов водорода имеет 1 или даже 2 нейтрона. Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов называются изотопами. Они будут обсуждаться в Уроке 2.
    Что вращается вокруг ядра атома?
    Электроны
    Какой из них имеет положительный заряд, отрицательный заряд и отсутствие заряда?
    Протон — положительный; электрон — отрицательный; нейтрон – без заряда. Заряды протона и электрона точно такого же размера, но противоположны.В нейтральном атоме одинаковое количество протонов и электронов точно компенсируют друг друга.

    Примечание. На рисунке показана простая модель атома углерода. Он иллюстрирует некоторую основную информацию, такую ​​как количество протонов и нейтронов в ядре. Это также показывает, что количество электронов равно количеству протонов. Эта модель также показывает, что некоторые электроны могут быть ближе к ядру, а другие дальше. Одна из проблем с этой моделью заключается в том, что она предполагает, что электроны вращаются вокруг ядра по идеальным кругам в одной плоскости, но это не так.Более широко принятая модель показывает электроны как более трехмерное «электронное облако», окружающее ядро. Учащиеся познакомятся с этими идеями более подробно на уроке 3. Но для большей части нашего изучения химии на уровне средней школы модель, показанная на иллюстрации, будет очень полезной. Кроме того, в большинстве случаев использования этой модели атома ядро ​​будет отображаться в виде точки в центре атома.

  • Покажите анимацию и объясните, что протоны и электроны имеют противоположные заряды и притягиваются друг к другу.

    Проецируйте анимацию «Протоны и электроны».

    Объясните учащимся, что два протона отталкиваются друг от друга и что два электрона отталкиваются друг от друга. Но протон и электрон притягиваются друг к другу. Другими словами, одинаковые или «подобные» заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные заряды притягиваются друг к другу.

    Поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу, отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным протонам.Скажите учащимся, что именно это притяжение удерживает атом вместе.

    Спроектируйте анимацию «Атом водорода».

    Объясните учащимся, что в атоме водорода отрицательно заряженный электрон притягивается к положительно заряженному протону. Это притяжение и удерживает атом вместе.

    Скажите учащимся, что водород — простейший атом. В нем всего 1 протон, 1 электрон и 0 нейтронов. Это единственный атом, в котором нет нейтронов.Объясните, что это простая модель, показывающая движение электрона вокруг ядра.

    Нажмите на кнопку «Показать облако» и объясните учащимся, что это другая модель. Он показывает электрон в пространстве, окружающем ядро, которое называется электронным облаком или энергетическим уровнем. Невозможно знать местонахождение электрона, а только область, где он, скорее всего, находится. Электронное облако или энергетический уровень показывает область вокруг ядра, где, скорее всего, находится электрон.

    Примечание: любознательные студенты могут спросить, как положительно заряженные протоны могут находиться так близко друг к другу в ядре: почему они не отталкиваются друг от друга? Это большой вопрос. Ответ выходит далеко за рамки введения в химию для средней школы, но вы можете сказать одно: существует сила, называемая «сильной силой», которая удерживает вместе протоны и нейтроны в ядре атома. Эта сила намного сильнее силы отталкивания одного протона от другого.

    Еще один хороший вопрос: почему электрон не врезается в протон? Если их притягивает друг к другу, почему бы им просто не столкнуться? Опять же, подробный ответ на этот вопрос выходит за рамки изучения химии в средней школе. Но упрощенный ответ связан с энергией или скоростью электрона. По мере приближения электрона к ядру его энергия и скорость увеличиваются. В конце концов он движется в области, окружающей ядро, со скоростью, достаточно большой, чтобы уравновесить притяжение, которое притягивает его, поэтому электрон не врезается в ядро.

    Раздайте каждому учащемуся лист с заданиями.

    Предложите учащимся ответить на вопросы об иллюстрации в листе с заданиями. Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы о деятельности в листе деятельности. Разделы «Объясните это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это» Дальнейшие разделы рабочего листа будут выполняться в классе, в группах или индивидуально, в зависимости от ваших инструкций.

  • Выполните задание, чтобы показать, что электроны и протоны притягиваются друг к другу.

    Учащиеся могут увидеть доказательства зарядов протонов и электронов, выполняя задание со статическим электричеством.

    Примечание. Когда два материала трутся друг о друга в результате действия статического электричества, один материал имеет тенденцию терять электроны, а другой материал имеет тенденцию приобретать электроны. При этом человеческая кожа имеет тенденцию терять электроны, в то время как пластиковый пакет, сделанный из полиэтилена, имеет тенденцию приобретать электроны.

    Вопрос для расследования

    Что заставляет объекты притягиваться или отталкиваться друг от друга?

    Материалы для каждой группы

    • Пластиковый пакет для продуктов
    • Ножницы

    Процедура, часть 1

    1. Заряженный пластик и заряженная кожа
      1. Вырежьте 2 полоски из пластикового пакета для продуктов так, чтобы каждая была шириной около 2–4 см и длиной около 20 см.
      2. Крепко держите пластиковую полоску за один конец. Затем возьмитесь за пластиковую полоску между большим и указательным пальцами другой руки, как показано на рисунке.

      3. Быстро потяните верхнюю руку вверх так, чтобы пластиковая полоска прошла сквозь пальцы. Сделайте это три или четыре раза.
      4. Позвольте полоске свисать. Затем поднесите к нему другую руку.
      5. Напишите «притягивать» или «отталкивать» в таблице на листе с заданием, чтобы описать, что произошло.

    Ожидаемые результаты

    Пластик будет притягиваться к вашей руке и двигаться к ней. Студенты могут заметить, что пластик также притягивает их руки и рукава. Сообщите учащимся, что позже в этом уроке они будут исследовать, почему пластиковая полоска также притягивается к незаряженным (нейтральным) поверхностям.

    Примечание. Если учащиеся обнаруживают, что их пластиковая полоска не двигается к руке, значит, она недостаточно заряжена.Пусть они попробуют зарядить свою пластиковую полоску, удерживая ее на брюках или рубашке, а затем быстро потянув другой рукой. Затем они должны проверить, притягивается ли пластик к их одежде. Если нет, учащиеся должны снова попробовать зарядить пластик.

  • Покажите учащимся модели, сравнивающие количество протонов и электронов в пластике и коже до и после их трения друг о друга.

    Скажите учащимся, что пластиковая полоска и их кожа состоят из молекул, состоящих из атомов.Предложите учащимся предположить, что пластик и их кожа нейтральны — что у них такое же количество протонов, как и электронов.

    Проецировать изображение Заряженный пластик и рука.

    Укажите, что до того, как ученики протянули пластик между пальцами, количество протонов и электронов в каждом из них было одинаковым. Затем, когда студенты протягивали пластик сквозь пальцы, электроны с их кожи попадали на пластик. Поскольку в пластике больше электронов, чем протонов, он имеет отрицательный заряд.Поскольку их пальцы отдали часть электронов, их кожа теперь имеет больше протонов, чем электронов, поэтому она имеет положительный заряд. Положительная кожа и отрицательный пластик притягивают друг друга, потому что положительное и отрицательное притягиваются.

  • Предложите учащимся исследовать, что происходит, когда натертую пластиковую полоску держат рядом со столом или стулом.

    Процедура, часть 2

    1. Заряженный пластик и нейтральный стол
      1. Зарядите одну пластиковую полоску так же, как и раньше.
      2. На этот раз поднесите пластиковую полоску к столу или стулу.

      3. Напишите в таблице «притягивать» или «отталкивать».

    Ожидаемые результаты

    Пластик движется к столу.

    Объясните учащимся, почему пластик притягивается к столу. Ответ занимает пару шагов, поэтому вы можете помочь учащимся, нарисовав или спроецировав увеличенную иллюстрацию пластика и стола.

    После протягивания пластика между их пальцами пластик получает дополнительные электроны и отрицательный заряд. Стол имеет такое же количество протонов, как и электронов, и является нейтральным. Когда пластик приближается к столу, отрицательно заряженный пластик отталкивает электроны от поверхности стола. Это делает поверхность стола возле пластика слегка положительной. Отрицательно заряженный пластик притягивается к этой положительной области, поэтому пластик движется к ней.

  • Предложите учащимся зарядить два кусочка пластика и подержать их рядом друг с другом, чтобы проверить, отталкиваются ли электроны друг от друга.

    Попросите учащихся сделать прогноз:

    • Как вы думаете, что произойдет, если вы зарядите две полоски пластика и поднесете их друг к другу?

    Процедура, часть 3

    1. 2 шт. заряженного пластика
      1. Зарядите две пластиковые полоски
      2. Медленно поднесите две пластиковые полоски друг к другу.
      3. Напишите «притягивать» или «отталкивать» в таблице на рабочем листе.

    Ожидаемые результаты

    Полоски будут отдаляться или отталкиваться друг от друга. Поскольку на обеих полосках есть дополнительные электроны, каждая из них имеет дополнительный отрицательный заряд. Так как одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, полоски удаляются друг от друга.

    Спросите студентов:

    Что произошло, когда вы поднесли два куска пластика друг к другу?
    Концы полос отошли друг от друга.
    Используйте свои знания об электронах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.
    Каждая полоска имеет дополнительные электроны, поэтому обе они заряжены отрицательно. Так как заряды отталкиваются, кусочки пластика отталкивались друг от друга.
  • Предложите учащимся применить свои знания о протонах и электронах, чтобы объяснить, что происходит, когда заряженный воздушный шар подносится к листу бумаги.

    Материалы для каждой группы

    • Надутый баллон
    • Маленькие кусочки бумаги размером с конфетти

    Процедура

    • Потрите шарик о волосы или одежду.
    • Медленно поднесите шарик к маленьким кусочкам бумаги.

    Ожидаемые результаты

    Кусочки бумаги подпрыгнут и прилипнут к воздушному шару.

    Спросите студентов:

    Что вы наблюдали, когда подносили заряженный шар к бумажкам?
    Кусочки бумаги поднялись и застряли на воздушном шаре.
    Используйте свои знания об электронах, протонах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.
    Когда вы трёте шарик о волосы или одежду, он собирает дополнительные электроны, придавая шарику отрицательный заряд. Когда вы подносите воздушный шар к бумаге, электроны из воздушного шара отталкивают электроны в бумаге. Поскольку на поверхности бумаги находится больше протонов, это положительное изменение. Электроны все еще находятся на бумаге, просто не на поверхности, поэтому в целом бумага нейтральна.Противоположности притягиваются, поэтому бумага движется вверх к шарику.

    Покажите симуляцию «Воздушные шары и статическое электричество» Университета Колорадо на сайте технологий физического образования в Боулдере.

    В симуляции поставить галочки “показывать все заряды” и “Стена”. Снимите все остальное.

    В этой симуляции вы можете немного потереть воздушный шар о свитер и увидеть, что часть электронов из свитера переместится на воздушный шар.Это придает воздушному шару отрицательный заряд. Поскольку свитер потерял часть электронов, в нем больше протонов, чем электронов, поэтому он имеет положительный заряд. Если вы подвинете шарик к свитеру, он притянется. Это похоже на перемещение заряженной пластиковой полоски к ткани, о которую ее натирали.

    Вы также можете переместить воздушный шар к стене. Избыточный отрицательный заряд на воздушном шаре отталкивает отрицательный заряд на поверхности стены. Это оставляет больше положительного заряда на поверхности стены.Отрицательно заряженный шарик притягивается к положительному участку стены. Это похоже на перемещение заряженной пластиковой полоски к пальцу.

  • Продемонстрируйте, как электроны могут притягивать поток воды.

    Либо выполните следующую демонстрацию, либо покажите видеоролик “Воздушный шар и вода”.

    Материалы для демонстрации

    Процедура

    1. Потрите шарик о рубашку или штаны, чтобы придать ему статический заряд.
    2. Включите кран, чтобы была очень тонкая струя воды.
    3. Медленно поднесите заряженную часть шара к струе воды.

    Ожидаемые результаты

    Струя воды должна искривляться, притягиваясь к воздушному шару.

    Спросите студентов:

    Что вы наблюдали, когда заряженный шар держали рядом с потоком воды?
    Струя воды наклонилась к воздушному шару.
    Используйте свои знания об электронах, протонах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.
    Когда вы трёте шарик о волосы или одежду, он собирает дополнительные электроны, придавая шарику отрицательный заряд. Когда вы подносите воздушный шар к потоку воды, электроны из воздушного шара отталкивают электроны в воде. Поскольку больше протонов находится на поверхности воды, это положительное изменение. Противоположности притягиваются, поэтому вода движется к шарику.
  • Фермилаб | Наука | Пытливые умы

    Вопросы по физике, которые люди задают Fermilab


    Цвет атомов

    Мистер Пордес-

    У меня вопрос к науке. Как вы, наверное, знаете, мы изучали все, что касается частиц, корпускулярной модели материи, Джона Дальтона и всего подобного. У меня вопрос, все ли атомы одного цвета? А если так, а даже если и нет, то откуда ты знаешь?! Поскольку они такие маленькие, как можно увидеть, какого они цвета.Или ты не знаешь? Большое вам спасибо за ваше время! Если бы вы могли написать ответ с ответом, буду признателен!

    Спасибо!

    С уважением,
    Келли Холл


    Дорогая Келли,
    Я отвечаю на ваш вопрос ниже… это очень хороший вопрос (это г-н Пордес)

    Итак, какого цвета атом и как вы можете увидеть, что это такое?

    Этот вопрос очень, очень хороший. Вот мой ответ и объяснение. Я надеюсь, что это не слишком долго.

    1. атомы (в отличие от молекул) не имеют цвета — они прозрачны, за исключением особых условий.
    2. молекул имеют цвет
    3. вы не смогли бы увидеть цвет одного атома или молекулы — не потому, что он слишком мал, — а потому, что цвет одного атома был бы слишком тусклым. Как можно проверить цвет атома или молекулы? Соберите их побольше и пролейте на них свет.
    Объяснение:

    Прежде всего, как мы видим вещи? Мы видим вещи, потому что они отражают свет в наши глаза.

    Далее, какого цвета что-то? Цвет чего-либо — это цвет света, который оно больше всего отражает, когда на него падает свет всех цветов. Зеленый лист зеленый, потому что, когда солнце освещает лист, цвет, который лист лучше всего отражает для наших глаз, — зеленый. Солнечный свет содержит все цвета радуги (красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго), но больше всего ваш глаз отражает зеленый цвет.

    Часть атома или молекулы, которая «отражает» свет, — это электроны снаружи атома. Теперь… цвет идет в два этапа..

    Шаг 1: электроны сначала поглощают часть света, попадающего на атом или молекулу.

    Шаг 2: Электроны, которые поглотили свет, затем излучают (излучают) некоторое количество света.

    Если электроны испускают точно такой же свет, как и поглощают, вещество «бесцветно».Однако если цвет испускаемого света отличается от цвета поглощаемого, то вещество имеет цвет. В случае листа лист поглощает все цвета, но отражает только зеленый.

    Для атомов и обычного освещения — каким бы ни был атом — поглощенный свет и излучаемый свет одинаковы. Это потому, что для одного атома электроны должны поглощать и излучать один и тот же свет.

    В молекулах, где два или более атомов имеют общие электроны, молекулы могут поглощать свет одного цвета и излучать другой цвет.Это работает независимо от того, являются ли атомы одинаковыми (например, два атома азота) или разными элементами. Краски и красители (химические вещества, используемые для окраски одежды) представляют собой сложные молекулы, в которых расположение электронов позволяет молекулам очень хорошо отражать определенные цвета.

    Вот несколько вопросов, которые вы, возможно, захотите задать.

    Почему небо синее? Означает ли это, что кислород синий или азот синий?
    Почему газообразный хлор зеленый?
    Почему неоновые вывески красные?

    Стивен Пордес


    Дорогая Келли,

    Я надеюсь, что у вас есть время, чтобы прочитать исправление, которое я имею к тому, что я написал.(Вы можете видеть, как нам нравится думать над хорошим вопросом).

    Оказывается, есть некоторые элементы, атомы которых ДЕЙСТВИТЕЛЬНО имеют цвет… (я сказал, что их нет – и, думаю, я был неправ).

    Это не означает, что на атомах есть маленькие мазки цветной краски — это означает, что когда вы освещаете их белым светом, их электроны ДЕЙСТВИТЕЛЬНО поглощают определенный цвет, а затем повторно излучают его. Вот как это придает атомам цвет. Представьте себе стеклянный сосуд, в котором плавают некоторые из этих атомов.Когда вы светите фонариком на банку, большая часть света просто проходит через банку — например, вы можете видеть, как свет выходит и оставляет пятно на стене. Но внутри банки тоже будет казаться, что она светится определенным цветом.

    Это цвет, который поглощают атомы. Свет этого цвета не весь проходит прямо через банку; некоторая его часть поглощается плавающими вокруг атомами, которые затем излучают (отсылают обратно) во ВСЕХ направлениях, а не только вдоль линии луча вспышки.Итак, если вы посмотрите на банку, скажем, сбоку, вы увидите свет определенного цвета, а внутренняя часть банки будет выглядеть так, как будто она светится. Натрий (Na в периодической таблице) делает это и дает ярко-желтое свечение. Могут быть и другие элементы. Я проверю их. Если я получу полный список, я отправлю его вам.

    извините, что заставил вас так много читать – и за неправильный ответ в первый раз –

    ps. Это не очень легко продемонстрировать с натрием.Вам нужно будет нагреть натрий в вакуумной банке. (Вакуумированный означает, что весь воздух был откачан). Тепло необходимо, потому что натрий находится в твердом состоянии при комнатной температуре, и чтобы получить достаточное количество атомов натрия, плавающих вокруг, вам нужно нагреть натрий по-настоящему горячим; вам нужно выпустить воздух из банки, потому что натрий очень сильно реагирует с кислородом (он загорится) в воздухе.

    Стивен Пордес

    Вернуться на главную страницу Вопросы о физике

    Что такое атом? – Определение, части и измерения – Видео и стенограмма урока

    Части атома

    Как мы уже говорили, атомы состоят из трех частей: протонов, нейтронов и электронов.Эти маленькие части являются типами частиц. И у частиц есть свойства или особенности, которые важны.

    Одним из таких свойств является масса , или количество вещества, которое они содержат. Протоны и нейтроны имеют массу 1 атомная единица массы (АМЕ). А у электронов крошечная, крошечная масса, составляющая 1/1836 массы протонов и нейтронов.

    Еще одним важным свойством является заряд , или количество электрической энергии. Есть положительные заряды и отрицательные заряды; одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.Протоны имеют заряд +1, электроны имеют заряд -1, а нейтроны нейтральны. Вот почему мы называем их нейтронами. Таким образом, несмотря на то, что электроны малы по массе, их заряд такой же большой, как у протона (но отрицательный, а не положительный).

    Электроны — это элементарные частицы, потому что их больше нельзя разбить. Но протоны и нейтроны на самом деле содержат внутри себя более мелкие частицы, называемые кварками. Вам не нужно много знать о них, если только вы не изучаете физику в колледже.Но одно лишь знание об их существовании означает, что вы понимаете атомы лучше, чем большинство людей.

    Измерение атомов

    Хорошо, но если атомы такие крошечные, как мы узнаем, что они есть? Ну, во-первых, мы можем видеть эффекты, которые они производят. Когда происходят химические реакции, это происходит потому, что атомы перестраивают способ своего соединения с другими атомами. И, поняв, из чего состоят атомы, мы можем объяснить, почему происходят эти химические реакции. Например, может быть, один атом отдает электрон другому атому.Или, может быть, два атома начинают делиться электронами между собой. Мы также можем использовать масс-спектрометр , который представляет собой устройство, используемое для измерения массы атомов.

    Но в наши дни мы можем даже фотографировать атомы, используя невероятную технологию, называемую электронным микроскопом. Электронный микроскоп стреляет быстрыми электронами в атом, заставляя их отскакивать в разных направлениях, и то, как они отскакивают, позволяет создать изображение — примерно так, как дельфины используют гидролокатор, чтобы фотографировать морское дно своего мозга. можно понять.

    Резюме урока

    Хорошо, давайте уделим минуту или две, чтобы повторить то, что мы узнали. Как мы видели в этом уроке, все во Вселенной состоит из атомов . Мы часто думаем об атомах как о крошечных шариках, но они состоят из более мелких частей, называемых протонами, нейтронами и электронами. Протоны и нейтроны находятся в самом центре атома, который называется ядром . И электроны вращаются вокруг снаружи. Атомы в основном представляют собой пустое пространство, но вы не можете просунуть руку сквозь твердые предметы, потому что межмолекулярные силы , или силы между молекулами, слишком сильны.

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.