МИКРОСКОПИЧНА СКАЛА: СВОЙСТВА, БРОЕНЕ НА ЧАСТИЦИ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В микроскопичен мащаб е тази, която се използва за измерване на дължини и размери, които не могат да се видят с невъоръжено око и които са под mm в дължина. От най-висока до най-ниска, микроскопичните скали в метричната система са:

- Милиметърът (1 мм), който е една десета от сантиметър или една хилядна част от метър. В тази скала имаме една от най-големите клетки в тялото, която е яйцеклетката, чийто размер е 1,5 мм.

Фигура 1. Червените кръвни клетки са клетки в микроскопична скала. Източник: pixabay

- Десетата част от милиметъра (0,1 мм). Това е мащабът на дебелината или диаметъра на човешка коса.

- Микрометър или микрон (1 μm = 0,001 mm). В този мащаб са растителни и животински клетки и бактерии.

Растителните клетки са от порядъка на 100 μm. Животинските клетки са десет пъти по-малки, той е от порядъка на 10 μm; докато бактериите са 10 пъти по-малки от животинските клетки и са от порядъка на 1 μm.

Нано мащаб

Има измервания, дори по-малки от микроскопичната скала, но те не се използват често, освен в някои специални контексти. Тук ще видим някои от най-важните нанометрични измервания:

- Нанометърът (1 ηm = 0,001 µm = 0,000001 mm) е една милионна част от милиметър. В този мащаб са някои вируси и молекули. Вирусите са от порядъка на 10m, а молекулите от порядъка на 1m.

- Ангстремът (1Å = 0,1ηm = 0,0001μm = 10 ^-7 mm). Това измерване формира мащаба или атомния размер.

- Фантометърът (1fm = 0,00001Å = 0,000001ηm = 10 ^-12 mm). Това е мащабът на атомните ядра, които са между 10 000 и 100 000 пъти по-малки от атома. Въпреки малкия си размер обаче, ядрото концентрира 99,99% от атомната маса.

- Има по-малки люспи от атомното ядро, тъй като те са съставени от частици като протони и неутрони. Но има и още: тези частици са на свой ред съставени от по-фундаментални частици, като кварки.

Инструменти за микроскопично наблюдение

Когато обектите са между милиметровата и микрометрова скала (1 мм - 0,001 мм), те могат да бъдат наблюдавани с оптичен микроскоп.

Ако обаче обектите или структурите са между нанометри и ангстреми, тогава ще бъдат необходими електронни микроскопи или наноскопа.

В електронната микроскопия вместо светлина се използват високоенергийни електрони, които имат много по-къса дължина на вълната от светлината. Недостатъкът на електронния микроскоп е, че не е възможно да се поставят живи проби в него, защото той работи под вакуум.

Вместо това, наноскопът използва лазерна светлина и има предимството пред електронната микроскопия, че структурите и молекулите в жива клетка могат да бъдат видени и оформени.

Нанотехнологията е технологията, с която вериги, конструкции, части и дори двигатели се произвеждат в скали, вариращи от нанометър до атомна скала.

Микроскопични свойства

Във физиката в първо приближение поведението на материята и системите се изучава от макроскопична гледна точка. От тази парадигма материята е безкрайно делим континуум; и тази гледна точка е валидна и подходяща за много ситуации в ежедневието.

Някои явления в макроскопичния свят обаче могат да се обяснят само ако се вземат предвид микроскопичните свойства на материята.

От микроскопична гледна точка се взема предвид молекулната и атомната структура на материята. За разлика от макроскопския подход, в този мащаб има гранулирана структура с пропуски и пространства между молекулите, атомите и дори вътре в тях.

Другата характеристика на микроскопичната гледна точка във физиката е, че парче материя, колкото и да е малка, се състои от огромен брой частици, отделени една от друга и в непрекъснато движение.

-Материята е огромна празнота

В малко парче материя разстоянието между атомите е огромно в сравнение с техния размер, но от своя страна атомите са огромни в сравнение със собствените им ядра, където е концентрирано 99,99% от масата.

Тоест парче материя в микроскопичната скала представлява огромен вакуум с концентрации на атоми и ядра, които заемат много малка част от общия обем. В този смисъл микроскопичната скала е подобна на астрономическата скала.

От макроскопични обекти до откриването на атома

Първите химици, които бяха алхимиците, разбраха, че материалите могат да бъдат от два вида: чисти или съставни. Така се стигна до идеята за химичните елементи.

Първите открити химически елементи са седемте метала от древността: сребро, злато, желязо, олово, калай, мед и живак. С течение на времето бяха открити още, тъй като бяха открити вещества, които не могат да бъдат разложени на други.

Тогава елементите бяха класифицирани според техните свойства и характеристики в металите и неметалите. Всички, които имат подобни свойства и химичен афинитет, бяха групирани в една и съща колона и така възникна периодичната таблица на елементите.

Фигура 2. Периодична таблица на елементите. Източник: wikimedia commons.

От елементите беше променена идеята за атомите, дума, която означава неделима. Малко по-късно учените разбрали, че атомите имат структура. Освен това атомите имаха два вида електрически заряд (положителен и отрицателен).

Субатомни частици

В експериментите на Ръдърфорд, в които той бомбардира атомите на тънка златна плоча с алфа частици, се разкрива структурата на атома: малко положително ядро, заобиколено от електрони.

Атомите бяха бомбардирани с все повече и повече енергийни частици и все още се прави, за да се разкрият тайните и свойствата на микроскопичния свят в по-малък и по-малък мащаб.

По този начин беше достигнат стандартният модел, в който се установява, че истинските елементарни частици са тези, от които са съставени атомите. От своя страна, атомите пораждат елементи, тези за съединения и всички известни взаимодействия (с изключение на гравитацията). Общо има 12 частици.

Тези основни частици също имат своята периодична таблица. Съществуват две групи: ½-спинови фермионни частици и бозонови. Бозоните са отговорни за взаимодействията. Фермиониците са 12 и са тези, които пораждат протони, неутрони и атоми.

Фигура 3. Основни частици. Източник: wikimedia commons.

Как да броим частиците в микроскопична скала?

С времето химиците откриват относителните маси на елементите от прецизни измервания при химически реакции. Така например беше определено, че въглеродът е 12 пъти по-тежък от водорода.

Водородът също беше определен като най-лекият елемент, така че на този елемент беше определена относителна маса 1.

От друга страна, химиците изискват да знаят броя на частиците, участващи в реакцията, така че нито един реагент да не се свърши или да липсва. Например, за водна молекула са необходими два водородни атома и един кислород.

От тези предшественици се ражда понятието мол. Молът на всяко вещество е фиксиран брой частици, еквивалентен на неговата молекулна или атомна маса в грамове. По този начин беше определено, че 12 грама въглерод имат същия брой частици като 1 грам водород. Това число е известно като числото на Авогадро: 6,02 х 10 ^ 23 частици.

-Пример 1

Изчислете колко златни атома има в 1 грам злато.

Решение

Известно е, че златото има атомно тегло 197. Тези данни могат да бъдат намерени в периодичната таблица и показват, че златен атом е 197 пъти по-тежък от водорода и 197/12 = 16,416 пъти по-тежък от въглерода.

Един мол злато има 6.02 × 10 ^ 23 атома и има атомно тегло в грамове, тоест 197 грама.

В грам злато има 1/197 мола злато, тоест 6.02 × 10 ^ 23 атома / 197 = 3.06 х10 ^ 23 златни атома.

-Пример 2

Определете броя на молекулите на калциев карбонат (CaCO ₃) в 150 грама от това вещество. Също така кажете колко калциеви атоми, колко въглерод и колко кислород има в това съединение.

Решение

Първото нещо, което трябва да направите, е да определите молекулната маса на калциевия карбонат. Периодичната таблица показва, че калцият има молекулно тегло 40 g / mol, въглерод 12 g / mol и кислород 16 g / mol.

Тогава молекулната маса на (CaCO ₃) ще бъде:

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

На всеки 100 грама калциев карбонат е 1мол. Така че в 150 грама те съответстват на 1,5 бенки.

Всеки мол карбонат има 6,02 х 10 ^ 23 карбонатни молекули, така че в 1,5 мола карбонат има 9,03 х 10 ^ 23 молекули.

Накратко, в 150 грама калциев карбонат има:

- 9.03 х 10 ^ 23 молекули калциев карбонат.

- Калциеви атоми: 9.03 х 10 ^ 23.

- Също 9.03 х 10 ^ 23 въглеродни атоми

- И накрая, 3 x 9.03 x 10 ^ 23 кислородни атоми = 27.09 x 10 ^ 23 кислородни атоми.

Препратки

1. Приложна биология. Какви са микроскопичните измервания? Възстановено от: youtube.com
2. Химическо образование. Макроскопични, субмикроскопични и символични изображения по материя. Възстановено от: scielo.org.mx.
3. Гарсия А. Интерактивен курс по физика. Макро-състояния, микростати. Температура, ентропия. Възстановено от: sc.ehu.es
4. Микроскопичната структура на материята. Възстановени от: alipso.com
5. Wikipedia. Микроскопично ниво. Възстановено от: wikipedia.com