SKALA MIKROSKOPOWA: WŁAŚCIWOŚCI, LICZENIE CZĄSTEK, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2025

Skala mikroskopowa to taka, która służy do pomiaru rozmiarów i długości, których nie można zobaczyć gołym okiem i których długość jest mniejsza niż milimetr. Od najwyższej do najniższej, mikroskopijne skale w systemie metrycznym to:

- Milimetr (1 mm), czyli jedna dziesiąta centymetra lub jedna tysięczna metra. W tej skali mamy jedną z największych komórek ciała, jaką jest komórka jajowa, której rozmiar wynosi 1,5 mm.

Rysunek 1. Czerwone krwinki to komórki w skali mikroskopowej. Źródło: pixabay

- Dziesiąta część milimetra (0,1 mm). To jest skala grubości lub średnicy ludzkiego włosa.

- Mikrometr lub mikron (1 μm = 0,001 mm). W tej skali są komórki roślinne i zwierzęce oraz bakterie.

Komórki roślinne są rzędu 100 μm. Komórki zwierzęce są dziesięciokrotnie mniejsze, są rzędu 10 μm; podczas gdy bakterie są 10 razy mniejsze od komórek zwierzęcych i są rzędu 1 μm.

Skala nano

Istnieją pomiary nawet mniejsze niż skala mikroskopowa, ale nie są one powszechnie używane, z wyjątkiem niektórych specjalnych kontekstów. Tutaj zobaczymy niektóre z najważniejszych pomiarów nanometrycznych:

- Nanometr (1 ηm = 0,001 μm = 0,000001 mm) to jedna milionowa milimetra. W tej skali są wirusy i cząsteczki. Wirusy są rzędu 10 m, a cząsteczki rzędu 1 m.

- Angstrem (1Å = 0,1ηm = 0,0001μm = ^10-7 mm). Ten pomiar określa skalę lub rozmiar atomu.

- Fantomometr (1fm = 0,00001Å = 0,000001ηm = ^10-12 mm). Jest to skala jąder atomowych, które są od 10 000 do 100 000 razy mniejsze niż atom. Jednak pomimo niewielkich rozmiarów jądro skupia 99,99% masy atomowej.

- Istnieją mniejsze łuski niż jądro atomowe, ponieważ składają się one z cząstek, takich jak protony i neutrony. Ale jest coś więcej: te cząstki składają się z kolei z bardziej podstawowych cząstek, takich jak kwarki.

Przyrządy do obserwacji mikroskopowych

Gdy obiekty znajdują się między podziałką milimetrową a mikrometryczną (1 mm - 0,001 mm), można je obserwować za pomocą mikroskopu optycznego.

Jeśli jednak obiekty lub struktury znajdują się między nanometrami a angstremami, wymagane będą mikroskopy elektronowe lub nanoskop.

W mikroskopii elektronowej zamiast światła stosuje się elektrony o wysokiej energii, które mają znacznie krótszą długość fali niż światło. Wadą mikroskopu elektronowego jest to, że nie ma możliwości umieszczenia w nim żywych próbek, ponieważ działa w próżni.

Zamiast tego nanoskop wykorzystuje światło laserowe i ma przewagę nad mikroskopią elektronową, że struktury i cząsteczki w żywej komórce mogą być oglądane i wytrawiane.

Nanotechnologia to technologia, za pomocą której obwody, struktury, części, a nawet silniki są wytwarzane w skali od nanometra do skali atomowej.

Właściwości mikroskopowe

W fizyce, w pierwszym przybliżeniu, zachowanie materii i układów jest badane z makroskopowego punktu widzenia. Z tego paradygmatu materia jest nieskończenie podzielnym kontinuum; i ten punkt widzenia jest ważny i odpowiedni w wielu sytuacjach życia codziennego.

Jednak niektóre zjawiska w świecie makroskopowym można wyjaśnić tylko wtedy, gdy weźmie się pod uwagę mikroskopowe właściwości materii.

Z mikroskopowego punktu widzenia brana jest pod uwagę molekularna i atomowa struktura materii. W przeciwieństwie do podejścia makroskopowego, w tej skali występuje struktura ziarnista z lukami i przestrzeniami między cząsteczkami, atomami, a nawet wewnątrz nich.

Inną cechą mikroskopowego punktu widzenia w fizyce jest to, że kawałek materii, nieważne jak mały, składa się z ogromnej liczby cząstek oddzielonych od siebie i będących w ciągłym ruchu.

- Sprawa to ogromna próżnia

W niewielkim kawałku materii odległość między atomami jest ogromna w porównaniu z ich rozmiarami, ale z kolei atomy są ogromne w porównaniu z ich własnymi jądrami, w których skupione jest 99,99% masy.

Oznacza to, że kawałek materii w skali mikroskopowej to ogromna próżnia ze stężeniami atomów i jąder, które zajmują bardzo mały ułamek całkowitej objętości. W tym sensie skala mikroskopowa jest podobna do skali astronomicznej.

Od obiektów makroskopowych po odkrycie atomu

Pierwsi chemicy, którzy byli alchemikami, zdali sobie sprawę, że materiały mogą być dwojakiego rodzaju: czyste lub złożone. W ten sposób powstała idea pierwiastków chemicznych.

Pierwszymi odkrytymi pierwiastkami chemicznymi było siedem starożytnych metali: srebro, złoto, żelazo, ołów, cyna, miedź i rtęć. Z biegiem czasu odkryto więcej, ponieważ znaleziono substancje, których nie można było rozłożyć na inne.

Następnie pierwiastki zostały sklasyfikowane według ich właściwości i właściwości w metalach i niemetalach. Wszystkie te, które miały podobne właściwości i powinowactwo chemiczne, zostały zgrupowane w tej samej kolumnie, a tym samym powstał układ okresowy pierwiastków.

Rysunek 2. Układ okresowy pierwiastków. Źródło: wikimedia commons.

Z elementów zmieniła się idea atomów, słowo oznaczające niepodzielność. Niedługo później naukowcy zdali sobie sprawę, że atomy mają strukturę. Ponadto atomy miały dwa rodzaje ładunku elektrycznego (dodatni i ujemny).

Cząstki elementarne

W eksperymentach Rutherforda, w których bombardował atomy cienkiej złotej płytki cząstkami alfa, ujawniono strukturę atomu: małe dodatnie jądro otoczone elektronami.

Atomy były bombardowane coraz większą ilością cząstek energii i nadal jest to robione, aby odkryć tajemnice i właściwości mikroskopijnego świata na coraz mniejszą skalę.

W ten sposób uzyskano model standardowy, w którym ustalono, że prawdziwe cząstki elementarne to te, z których zbudowane są atomy. Z kolei z atomów powstają pierwiastki, te związki i wszystkie znane interakcje (z wyjątkiem grawitacji). W sumie jest 12 cząstek.

Te podstawowe cząstki mają również swój układ okresowy. Istnieją dwie grupy: fermionowe cząstki o spinie ½ i bozonowe. Bozony są odpowiedzialne za interakcje. Fermioniki to 12 i to te, z których powstają protony, neutrony i atomy.

Rysunek 3. Podstawowe cząstki. Źródło: wikimedia commons.

Jak liczyć cząstki w skali mikroskopowej?

Z biegiem czasu chemicy odkryli względne masy pierwiastków na podstawie precyzyjnych pomiarów w reakcjach chemicznych. Na przykład ustalono, że węgiel jest 12 razy cięższy od wodoru.

Wodór został również uznany za najlżejszy pierwiastek, więc elementowi temu przypisano względną masę 1.

Z drugiej strony chemicy musieli znać liczbę cząsteczek biorących udział w reakcji, aby żaden odczynnik nie został wyczerpany ani nie brakuje go. Na przykład cząsteczka wody wymaga dwóch atomów wodoru i jednego tlenu.

Z tych poprzedników rodzi się koncepcja mola. Mol dowolnej substancji to ustalona liczba cząstek odpowiadająca jej masie cząsteczkowej lub atomowej w gramach. W ten sposób określono, że 12 gramów węgla ma taką samą liczbę cząstek jak 1 gram wodoru. Liczba ta znana jest jako liczba Avogadro: 6,02 x 10 ^ 23 cząstek.

-Przykład 1

Oblicz, ile atomów złota znajduje się w 1 gramie złota.

Rozwiązanie

Wiadomo, że złoto ma masę atomową 197. Dane te można znaleźć w układzie okresowym i wskazują, że atom złota jest 197 razy cięższy od wodoru i 197/12 = 16 416 razy cięższy od węgla.

Jeden mol złota ma 6,02 × 10 ^ 23 atomów i ma masę atomową w gramach, czyli 197 gramów.

W gramie złota znajduje się 1/197 mola złota, czyli 6,02 × 10 ^ 23 atomów / 197 = 3,06 x10 ^ 23 atomów złota.

-Przykład 2

Określ liczbę cząsteczek węglanu wapnia (CaCO ₃ ) w 150 gramach tej substancji. Powiedz także, ile atomów wapnia, ile węgla i ile tlenu jest w tym związku.

Rozwiązanie

Pierwszą rzeczą do zrobienia jest określenie masy cząsteczkowej węglanu wapnia. Układ okresowy wskazuje, że wapń ma masę cząsteczkową 40 ​​g / mol, węgiel 12 g / mol i tlen 16 g / mol.

Wtedy masa cząsteczkowa (CaCO ₃ ) będzie wynosić:

40 g / mol + 12 g / mol + 3 x 16 g / mol = 100 g / mol

Każde 100 gramów węglanu wapnia to 1 mol. Tak więc w 150 gramach odpowiadają one 1,5 mola.

Każdy mol węglanu ma 6,02 x 10 ^ 23 cząsteczek węglanu, więc w 1,5 mola węglanu znajduje się 9,03 x 10 ^ 23 cząsteczek.

Krótko mówiąc, w 150 gramach węglanu wapnia znajduje się:

- 9,03 x 10 ^ 23 cząsteczki węglanu wapnia.

- Atomy wapnia: 9,03 x 10 ^ 23.

- Również 9,03 x 10 ^ 23 atomów węgla

- Wreszcie 3 x 9,03 x 10 ^ 23 atomów tlenu = 27,09 x 10 ^ 23 atomów tlenu.

Bibliografia

1. Biologia stosowana. Jakie są pomiary mikroskopowe? Odzyskany z: youtube.com
2. Edukacja chemiczna. Makroskopowe, submikroskopowe i symboliczne przedstawienia materii. Odzyskany z: scielo.org.mx.
3. García A. Interaktywny kurs fizyki. Makrostany, mikropaństwa. Temperatura, entropia. Odzyskany z: sc.ehu.es
4. Mikroskopijna budowa materii. Odzyskany z: alipso.com
5. Wikipedia. Poziom mikroskopowy. Odzyskane z: wikipedia.com