МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ ШКАЛА: СВОЙСТВА, ПОДСЧЕТ ЧАСТИЦ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Микроскопический масштаб является тот , который используется для измерения размеров и длинами , которые не могут быть видны невооруженным глазом , и что ниже миллиметра в длине. Микроскопические шкалы в метрической системе от самого высокого до самого низкого составляют:

- Миллиметр (1 мм), который составляет одну десятую сантиметра или одну тысячную метра. В этой шкале у нас есть одна из самых больших клеток в теле, яйцеклетка, размер которой составляет 1,5 мм.

Рисунок 1. Красные кровяные тельца - это клетки в микроскопическом масштабе. Источник: pixabay

- Десятые доли миллиметра (0,1 мм). Это шкала толщины или диаметра человеческого волоса.

- Микрометр или микрон (1 мкм = 0,001 мм). В этом масштабе находятся клетки растений и животных, а также бактерии.

Размер растительных клеток составляет порядка 100 мкм. Клетки животных в десять раз меньше, порядка 10 мкм; в то время как бактерии в 10 раз меньше клеток животных и имеют размер порядка 1 мкм.

Нано шкала

Есть измерения даже меньше микроскопического масштаба, но они обычно не используются, за исключением некоторых особых контекстов. Здесь мы увидим некоторые из наиболее важных нанометрических измерений:

- Нанометр (1 ηm = 0,001 мкм = 0,000001 мм) составляет одну миллионную миллиметра. В этом масштабе есть несколько вирусов и молекул. Вирусы имеют порядок 10m, а молекулы - порядка 1m.

- Ангстрем (1Å = 0,1ηм = 0,0001 мкм = ^10-7 мм). Это измерение формирует масштаб или атомный размер.

- The phantomometer (1FM = 0.00001Å = 0.000001ηm = 10 ^-12 мм). Это масштаб атомных ядер, которые в 10–100 000 раз меньше атома. Однако, несмотря на небольшой размер, в ядре сосредоточено 99,99% атомной массы.

- Существуют меньшие масштабы, чем атомное ядро, поскольку они состоят из таких частиц, как протоны и нейтроны. Но это еще не все: эти частицы, в свою очередь, состоят из более фундаментальных частиц, таких как кварки.

Инструменты для микроскопических наблюдений

Когда объекты находятся между шкалой миллиметра и микрометра (1 мм - 0,001 мм), их можно наблюдать в оптический микроскоп.

Однако, если объекты или структуры находятся между нанометрами и Ангстремами, то потребуются электронные микроскопы или наноскоп.

В электронной микроскопии вместо света используются высокоэнергетические электроны, длина волны которых намного короче света. Недостатком электронного микроскопа является то, что в него нельзя помещать живые образцы, так как он работает в вакууме.

Вместо этого в наноскопе используется лазерный свет, и его преимущество перед электронной микроскопией состоит в том, что структуры и молекулы внутри живой клетки можно рассматривать и травить.

Нанотехнология - это технология, с помощью которой производятся схемы, конструкции, детали и даже двигатели в масштабах от нанометров до атомных.

Микроскопические свойства

В физике в первом приближении поведение вещества и систем изучается с макроскопической точки зрения. Согласно этой парадигме, материя представляет собой бесконечно делимый континуум; и эта точка зрения верна и подходит для многих ситуаций повседневной жизни.

Однако некоторые явления в макроскопическом мире можно объяснить только с учетом микроскопических свойств вещества.

С микроскопической точки зрения учитывается молекулярная и атомная структура вещества. В отличие от макроскопического подхода, в этом масштабе существует гранулированная структура с зазорами и промежутками между молекулами, атомами и даже внутри них.

Другая характеристика микроскопической точки зрения в физике состоит в том, что кусок материи, каким бы маленьким он ни был, состоит из огромного числа частиц, отделенных друг от друга и находящихся в непрерывном движении.

- Дело в огромной пустоте

В небольшом куске вещества расстояние между атомами огромно по сравнению с их размером, но, в свою очередь, атомы огромны по сравнению с их собственными ядрами, где сосредоточено 99,99% массы.

То есть кусок материи в микроскопическом масштабе представляет собой огромный вакуум с концентрациями атомов и ядер, которые занимают очень небольшую долю от общего объема. В этом смысле микроскопическая шкала похожа на астрономическую.

От макроскопических объектов до открытия атома

Первые химики, которые были алхимиками, поняли, что материалы могут быть двух типов: чистые и составные. Так возникла идея о химических элементах.

Первыми открытыми химическими элементами были семь металлов древности: серебро, золото, железо, свинец, олово, медь и ртуть. Со временем были обнаружены другие вещества, которые не могли разложиться на другие.

Затем элементы были классифицированы по их свойствам и характеристикам в металлах и неметаллах. Все те, которые имели аналогичные свойства и химическое сродство, были сгруппированы в одном столбце, и таким образом возникла периодическая таблица элементов.

Рисунок 2. Периодическая таблица элементов. Источник: wikimedia commons.

Из элементов изменилось представление об атомах - слово, означающее неделимость. Вскоре ученые поняли, что у атомов действительно есть структура. Кроме того, атомы имели два типа электрического заряда (положительный и отрицательный).

Субатомные частицы

В экспериментах Резерфорда, в которых он бомбардировал атомы тонкой золотой пластинки альфа-частицами, была обнаружена структура атома: небольшое положительное ядро, окруженное электронами.

Атомы бомбардировались все большим и большим количеством энергетических частиц, и это продолжается до сих пор, чтобы разгадать секреты и свойства микроскопического мира во все меньшем и меньшем масштабе.

Таким образом была достигнута стандартная модель, в которой установлено, что истинными элементарными частицами являются те, из которых состоят атомы. В свою очередь, атомы порождают элементы, соединения и все известные взаимодействия (кроме гравитации). Всего имеется 12 частиц.

У этих элементарных частиц также есть своя периодическая таблица. Есть две группы: фермионные частицы с ½ спином и бозонные. Бозоны несут ответственность за взаимодействия. Фермионики - 12, и они дают начало протонам, нейтронам и атомам.

Рисунок 3. Фундаментальные частицы. Источник: wikimedia commons.

Как посчитать частицы в микроскопическом масштабе?

Со временем химики обнаружили относительные массы элементов путем точных измерений в химических реакциях. Так, например, было установлено, что углерод в 12 раз тяжелее водорода.

Водород также был определен как самый легкий элемент, поэтому этому элементу была присвоена относительная масса 1.

С другой стороны, химики должны знать количество частиц, участвующих в реакции, чтобы ни один реагент не был лишним или отсутствовал. Например, молекуле воды требуется два атома водорода и один кислород.

Из этих предшественников родилось понятие родинки. Моль любого вещества - это фиксированное количество частиц, эквивалентное его молекулярной или атомной массе в граммах. Таким образом было определено, что 12 граммов углерода содержат такое же количество частиц, как 1 грамм водорода. Это число известно как число Авогадро: 6,02 x 10 ^ 23 частиц.

-Пример 1

Подсчитайте, сколько атомов золота в 1 грамме золота.

Решение

Известно, что золото имеет атомный вес 197. Эти данные можно найти в периодической таблице и показывают, что атом золота в 197 раз тяжелее водорода и в 197/12 = 16 416 раз тяжелее углерода.

Один моль золота содержит 6,02 × 10 ^ 23 атомов и имеет атомный вес в граммах, то есть 197 граммов.

В одном грамме золота содержится 1/197 моль золота, то есть 6,02 × 10 ^ 23 атомов / 197 = 3,06 × 10 ^ 23 атома золота.

-Пример 2

Определите количество молекул карбоната кальция (CaCO ₃ ) в 150 граммах этого вещества. Также скажите, сколько атомов кальция, углерода и кислорода содержится в этом соединении.

Решение

Первое, что нужно сделать, это определить молекулярную массу карбоната кальция. В периодической таблице указано, что кальций имеет молекулярную массу 40 г / моль, углерод 12 г / моль и кислород 16 г / моль.

Тогда молекулярная масса (CaCO ₃ ) будет:

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

На каждые 100 граммов карбоната кальция приходится 1 моль. Таким образом, в 150 граммах они соответствуют 1,5 молям.

Каждый моль карбоната содержит 6,02 x 10 ^ 23 молекул карбоната, поэтому в 1,5 молях карбоната содержится 9,03 x 10 ^ 23 молекул.

Короче говоря, в 150 граммах карбоната кальция есть:

- 9,03 x 10 ^ 23 молекул карбоната кальция.

- Атомы кальция: 9,03 x 10 ^ 23.

- Также 9,03 x 10 ^ 23 атомов углерода

- Наконец, 3 x 9,03 x 10 ^ 23 атомов кислорода = 27,09 x 10 ^ 23 атомов кислорода.

Ссылки

1. Прикладная биология. Что такое микроскопические измерения? Получено с: youtube.com
2. Химическое образование. Макроскопические, субмикроскопические и символические изображения материи. Получено с: scielo.org.mx.
3. Гарсия А. Интерактивный курс физики. Макросостояния, микросостояния. Температура, энтропия. Получено с: sc.ehu.es
4. Микроскопическая структура вещества. Получено с: alipso.com
5. Wikipedia. Микроскопический уровень. Получено с: wikipedia.com