МІКРОСКОПІЧНА ШКАЛА: ВЛАСТИВОСТІ, ПІДРАХУНОК ЧАСТИНОК, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Мікроскопічний масштаб є той , який використовується для вимірювання розмірів і довжинами , які не можуть бути видні неозброєним оком , і що нижче міліметра в довжину. Від найвищої до найнижчої мікроскопічної шкали в метричній системі є:

- міліметр (1 мм), що становить десяту частину сантиметра або одну тисячну частину метра. У цій шкалі у нас є одна з найбільших клітин в організмі, яка є яйцеклітиною, розмір якої 1,5 мм.

Малюнок 1. Еритроцити - це клітини в мікроскопічному масштабі. Джерело: pixabay

- Десята частина міліметра (0,1 мм). Це шкала товщини або діаметра волосся людини.

- Мікрометр або мікрон (1 мкм = 0,001 мм). У цій шкалі знаходяться рослинні та тваринні клітини та бактерії.

Клітини рослини порядку 100 мкм. Клітини тварин у десять разів менше, це порядку 10 мкм; в той час як бактерій в 10 разів менше, ніж клітини тварин, і порядку 1 мкм.

Наномасштаб

Існують вимірювання, навіть менші, ніж мікроскопічна шкала, але вони зазвичай не використовуються, за винятком деяких спеціальних контекстів. Тут ми побачимо деякі найважливіші нанометричні вимірювання:

- Нанометр (1 ηm = 0,001 мкм = 0,000001 мм) - одна мільйонна частина міліметра. За цією шкалою є деякі віруси та молекули. Віруси бувають порядку 10м, а молекули - 1м.

- ангстрем (1Å = 0,1ηm = 0,0001μm = 10 ^-7 мм). Це вимірювання формує масштаб або атомний розмір.

- Фантометр (1fm = 0,00001Å = 0,000001ηm = 10 ^-12 мм). Це масштаб атомних ядер, які в 10 000 - 100 000 разів менші, ніж атом. Однак, незважаючи на невеликий розмір, ядро ​​концентрує 99,99% атомної маси.

- Є менші масштаби, ніж атомне ядро, оскільки вони складаються з частинок, таких як протони та нейтрони. Але є і більше: ці частинки у свою чергу складаються з більш фундаментальних частинок, таких як кварки.

Прилади для мікроскопічного спостереження

Коли предмети знаходяться між міліметровою та мікрометровою шкалою (1мм - 0,001мм), їх можна спостерігати за допомогою оптичного мікроскопа.

Однак якщо об'єкти або структури знаходяться між нанометрами і ангстромами, тоді знадобляться електронні мікроскопи або наноскоп.

В електронній мікроскопії замість світла використовують високоенергетичні електрони, які мають набагато меншу довжину хвилі, ніж світло. Недоліком електронного мікроскопа є те, що розмістити в ньому живі зразки неможливо, оскільки він працює під вакуумом.

Натомість наноскоп використовує лазерне світло, і він має перевагу перед електронною мікроскопією в тому, що структури та молекули всередині живої клітини можна переглядати та протравлювати.

Нанотехнологія - це технологія, за допомогою якої схеми, конструкції, деталі і навіть двигуни виробляються в масштабах від нанометра до атомної шкали.

Мікроскопічні властивості

У фізиці в першому наближенні поведінка матерії та систем вивчається з макроскопічної точки зору. З цієї парадигми матерія - нескінченно ділимий континуум; і ця точка зору справедлива і підходить для багатьох ситуацій у повсякденному житті.

Однак деякі явища в макроскопічному світі можна пояснити лише за умови врахування мікроскопічних властивостей речовини.

З мікроскопічної точки зору враховується молекулярна та атомна структура речовини. На відміну від макроскопічного підходу, у цій шкалі є зерниста структура з проміжками та пробілами між молекулами, атомами і навіть усередині них.

Інша характеристика мікроскопічної точки зору у фізиці полягає в тому, що шматочок речовини, який би не був малий, складається з величезної кількості частинок, відокремлених одна від одної і безперервного руху.

-Работа є величезною порожнечею

У невеликому шматочку речовини відстань між атомами величезна в порівнянні з їх розмірами, але, в свою чергу, атоми є величезними в порівнянні з власними ядрами, де зосереджено 99,99% маси.

Тобто шматок речовини в мікроскопічному масштабі - це величезний вакуум з концентрацією атомів і ядер, що займають дуже малу частку від загального обсягу. У цьому сенсі мікроскопічна шкала схожа на астрономічну шкалу.

Від макроскопічних об'єктів до відкриття атома

Перші хіміки, які були алхіміками, зрозуміли, що матеріали можуть бути двох типів: чисті або складні. Таким чином прийшла ідея хімічних елементів.

Першими виявленими хімічними елементами були сім металів античності: срібло, золото, залізо, свинець, олово, мідь та ртуть. З часом було виявлено більше, оскільки були знайдені речовини, які не можна було розкласти на інші.

Потім елементи класифікували за їх властивостями та характеристиками у металах та неметалах. Усі ті, хто мав подібні властивості та хімічну спорідненість, були згруповані в одному стовпчику, і таким чином виникла періодична таблиця елементів.

Малюнок 2. Періодична таблиця елементів. Джерело: wikimedia commons.

З боку елементів було змінено уявлення про атоми, слово, яке означає нероздільне. Невдовзі вчені зрозуміли, що атоми мають структуру. Крім того, атоми мали два типи електричного заряду (позитивний і негативний).

Субатомні частинки

У експериментах Резерфорда, в яких він бомбардував атоми тонкої золотої пластинки альфа-частинками, було виявлено структуру атома: невелике позитивне ядро, оточене електронами.

Атоми обстрілювали все більше і більше частинок енергії, і це все ще робиться для того, щоб розкрити секрети та властивості мікроскопічного світу в меншому і меншому масштабі.

Таким чином було досягнуто стандартної моделі, в якій встановлено, що справжні елементарні частинки - це ті, з яких складаються атоми. У свою чергу, атоми породжують елементи, ці сполуки та всі відомі взаємодії (крім гравітації). Всього є 12 частинок.

Ці основні частинки також мають свою періодичну таблицю. Є дві групи: ½-спінові ферміонні частинки та бозонні. Бозони відповідають за взаємодію. Ферміоніки - 12 і є тими, що породжують протони, нейтрони та атоми.

Малюнок 3. Фундаментальні частинки. Джерело: wikimedia commons.

Як порахувати частинки в мікроскопічному масштабі?

З часом хіміки виявили відносну масу елементів за допомогою точних вимірювань в хімічних реакціях. Так, наприклад, було визначено, що вуглець у 12 разів важчий за водень.

Водень був також визначений як найлегший елемент, тому цьому елементу була присвоєна відносна маса 1.

З іншого боку, хімікам потрібно було знати кількість частинок, що беруть участь в реакції, щоб жоден реагент не закінчився і не пропав. Наприклад, молекулі води потрібні два атоми водню та один кисень.

З цих попередників народжується концепція родимок. Моль будь-якої речовини - це фіксована кількість частинок, еквівалентна її молекулярній або атомній масі в грамах. Таким чином було визначено, що 12 грам вуглецю має стільки ж частинок, скільки 1 грам водню. Це число відоме як число Авогадро: 6,02 х 10 ^ 23 частинок.

-Приклад 1

Обчисліть, скільки атомів золота в 1 грамі золота.

Рішення

Відомо, що золото має атомну масу 197. Ці дані можна знайти в періодичній таблиці і вказують на те, що атом золота в 197 разів важчий за водень і в 197/12 = 16 416 разів важчий за вуглець.

Один моль золота має 6,02 × 10 ^ 23 атомів і має атомну масу в грамах, тобто 197 грам.

У грамі золота міститься 1/197 молей золота, тобто 6,02 × 10 ^ 23 атомів / 197 = 3,06 х10 ^ 23 атомів золота.

-Приклад 2

Визначте кількість молекул карбонату кальцію (CaCO ₃ ) у 150 грамах цієї речовини. Розкажіть також, скільки атомів кальцію, скільки вуглецю і скільки кисню в цій сполуці.

Рішення

Перше, що потрібно зробити - це визначити молекулярну масу карбонату кальцію. У періодичній таблиці вказується, що кальцій має молекулярну масу 40 г / моль, вуглець 12 г / моль, а кисень - 16 г / моль.

Тоді молекулярна маса (CaCO ₃ ) буде:

40 г / моль + 12 г / моль + 3 х 16 г / моль = 100 г / моль

Кожні 100 грам карбонату кальцію - 1 моль. Так за 150 грам вони відповідають 1,5 молям.

Кожен моль карбонату має 6,02 х 10 ^ 23 молекул карбонату, тому в 1,5 молях карбонату міститься 9,03 х 10 ^ 23 молекул.

Коротше кажучи, у 150 грамах карбонату кальцію є:

- 9,03 х 10 ^ 23 молекул карбонату кальцію.

- Атоми кальцію: 9,03 х 10 ^ 23.

- Також 9,03 х 10 ^ 23 атомів вуглецю

- Нарешті, 3 х 9,03 х 10 ^ 23 атоми кисню = 27,09 х 10 ^ 23 атомів кисню.

Список літератури

1. Прикладна біологія. Які мікроскопічні вимірювання? Відновлено з: youtube.com
2. Хімічна освіта. Макроскопічні, субмікроскопічні та символічні уявлення про матерію. Відновлено з: scielo.org.mx.
3. Гарсія А. Інтерактивний курс фізики. Макродержави, мікростати. Температура, ентропія. Відновлено з: sc.ehu.es
4. Мікроскопічна будова речовини. Відновлено з: alipso.com
5. Вікіпедія. Мікроскопічний рівень. Відновлено з: wikipedia.com