MIKROSKOPSKA LJESTVICA: SVOJSTVA, BROJANJE ČESTICA, PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Mikroskopski ljestvica je onaj koji se koristi za mjerenje veličine i duljine koje se ne može vidjeti golim okom i da su ispod milimetra dužine. Od najvišeg do najnižeg mikroskopskog mjerila u metričkom sustavu su:

- milimetar (1 mm), što je jedna desetina centimetra ili tisućina metra. U ovoj ljestvici imamo jednu od najvećih stanica u tijelu, a to je jajolik, čija je veličina 1,5 mm.

Slika 1. Crvene krvne stanice su stanice mikroskopske ljestvice. Izvor: pixabay

- Desetina milimetra (0,1 mm). Ovo je mjerilo debljine ili promjera ljudske dlake.

- mikrometar ili mikron (1 μm = 0,001 mm). Na toj skali su biljne i životinjske stanice i bakterije.

Biljne ćelije su reda 100 μm. Životinjske stanice su deset puta manje, reda su 10µm; dok su bakterije 10 puta manje od životinjskih stanica i reda su 1 μm.

Nano ljestvica

Postoje mjerenja čak i manja od mikroskopske ljestvice, ali se ne koriste uobičajeno, osim u nekim posebnim kontekstima. Ovdje ćemo vidjeti neke od najvažnijih nanometrijskih mjerenja:

- Nanometar (1 ηm = 0,001 µm = 0,000001 mm) je jedan milioniti dio milimetra. Na toj skali su neki virusi i molekule. Virusi su reda 10m, a molekule redoslijeda 1m.

- Angstrom (1Å = 0,1ηm = 0,0001μm = 10 ^-7 mm). Ovo mjerenje formira veličinu ili atomsku veličinu.

- Fantomometar (1fm = 0,00001Å = 0,000001ηm = 10 ^-12 mm). Ovo je skala atomskog jezgra, koja je između 10 000 i 100 000 puta manja od atoma. Međutim, unatoč svojoj maloj veličini, jezgro koncentrira 99,99% atomske mase.

- Postoje manje ljestvice od atomskog jezgra, jer su sastavljene od čestica poput protona i neutrona. Ali postoji i više: te se čestice zauzvrat sastoje od temeljnijih čestica poput kvarkova.

Instrumenti za mikroskopsko promatranje

Ako se predmeti nalaze između milimetrske i mikrometrske ljestvice (1 mm - 0,001 mm), mogu ih se promatrati optičkim mikroskopom.

Međutim, ako se objekti ili strukture nalaze između nanometara i Angstroma, tada će biti potrebni elektronski mikroskopi ili nanoskop.

U elektronskoj mikroskopiji umjesto svjetla koriste se visokoenergetski elektroni koji imaju puno kraću valnu duljinu od svjetlosti. Nedostatak elektronskog mikroskopa je što u njega nije moguće smjestiti žive uzorke, jer djeluje pod vakuumom.

Umjesto toga, nanoskop koristi lasersku svjetlost, a prednost pred elektronskom mikroskopijom ima u tome što se strukture i molekule unutar žive stanice mogu gledati i utkati.

Nanotehnologija je tehnologija kojom se krugovi, konstrukcije, dijelovi, pa čak i motori, proizvode u mjerilima u rasponu od nanometra do atomske ljestvice.

Mikroskopska svojstva

U fizici se u malom aproksimiranju ponašanje materije i sustava proučava s makroskopskog stajališta. Iz ove paradigme materija je beskonačno djeljiv kontinuum; i ovo je gledište valjano i primjereno za mnoge situacije u svakodnevnom životu.

Međutim, neke pojave u makroskopskom svijetu mogu se objasniti samo ako se uzmu u obzir mikroskopska svojstva materije.

S mikroskopskog stajališta uzima se u obzir molekularna i atomska struktura materije. Za razliku od makroskopskog pristupa, na ovoj ljestvici postoji zrnata struktura s prazninama i razmacima između molekula, atoma, pa čak i unutar njih.

Druga karakteristika mikroskopskog stajališta u fizici je da se komad materije, ma koliko bio malen, sastavljen od ogromnog broja čestica odvojenih jedna od druge i u neprekidnom kretanju.

-Materija je neizmjerna praznina

Razmak između atoma je ogroman u usporedbi s njihovom veličinom, ali zauzvrat su atomi ogromni u usporedbi s njihovim vlastitim jezgrama, gdje je koncentrirano 99,99% mase.

Odnosno, komad materije na mikroskopskoj ljestvici predstavlja ogroman vakuum s koncentracijom atoma i jezgara koji zauzimaju vrlo mali dio ukupnog volumena. U tom je smislu mikroskopska ljestvica slična astronomskoj ljestvici.

Od makroskopskih objekata do otkrića atoma

Prvi kemičari, koji su bili alkemičari, shvatili su da materijali mogu biti dvije vrste: čisti ili složeni. Tako je došla ideja o kemijskim elementima.

Prvi otkriveni kemijski elementi bili su sedam metala antike: srebro, zlato, željezo, olovo, kositar, bakar i živa. S vremenom je otkriveno više jer su pronađene tvari koje se ne mogu razgraditi na druge.

Zatim su elementi klasificirani prema njihovim svojstvima i karakteristikama u metalima i nekovinama. Svi oni koji su imali slična svojstva i kemijski afinitet grupirani su u isti stupac i tako je nastala periodična tablica elemenata.

Slika 2. Periodna tablica elemenata. Izvor: wikimedia commons.

Iz elemenata je izmijenjena ideja o atomima, riječ koja znači nedjeljivo. Ubrzo nakon toga, znanstvenici su shvatili da atomi imaju strukturu. Pored toga, atomi su imali dvije vrste električnog naboja (pozitivan i negativan).

Subatomske čestice

U Rutherfordovim eksperimentima u kojima je bombardirao atome tanke zlatne ploče alfa česticama, otkrivena je struktura atoma: malo pozitivno jezgro okruženo elektronima.

Atomi su bombardirani s sve više i više energetskih čestica, a još uvijek se radi, kako bi se sve manjim i manjim razmjerima otkrile tajne i svojstva mikroskopskog svijeta.

Na taj je način postignut standardni model u kojem se utvrđuje da su prave elementarne čestice one od kojih su atomi sastavljeni. Zauzvrat, atomi potiču elemente, oni spojeve i sve poznate interakcije (osim gravitacije). Ukupno ima 12 čestica.

Te temeljne čestice također imaju svoju periodičnu tablicu. Postoje dvije skupine: ½-spin-fermionske čestice i bozonske čestice. Bozoni su odgovorni za interakcije. Fermionika je 12 i oni koji stvaraju protone, neutrone i atome.

Slika 3. Temeljne čestice. Izvor: wikimedia commons.

Kako brojati čestice na mikroskopskoj skali?

S vremenom su kemičari otkrili relativnu masu elemenata preciznim mjerenjima u kemijskim reakcijama. Tako je, na primjer, utvrđeno da je ugljik 12 puta teži od vodika.

Također je određeno da je vodik najlakši element, pa je tom elementu dodijeljena relativna masa 1.

S druge strane, kemičari su morali znati broj čestica koje su uključene u reakciju, tako da nijedan reagens nije završen ili nestao. Na primjer, za molekulu vode potrebna su dva atoma vodika i jedan kisik.

Iz tih antikenata rađa se koncept madeža. Moli bilo koje tvari je fiksni broj čestica ekvivalentne njegovoj molekularnoj ili atomskoj masi u gramovima. Tako je utvrđeno da 12 grama ugljika ima isti broj čestica kao 1 gram vodika. Taj je broj poznat kao Avogadrov broj: 6,02 x 10 ^ 23 čestica.

-Primjer 1

Izračunajte koliko ima atoma zlata u 1 gramu zlata.

Riješenje

Poznato je da zlato ima atomsku masu od 197. Ovi podaci mogu se naći na periodičnoj tablici i govore da je atom zlata 197 puta teži od vodika i 197/12 = 16.416 puta teži od ugljika.

Jedan mol zlata ima 6,02 × 10 ^ 23 atoma i ima atomsku masu u gramima, to jest 197 grama.

U gramu zlata nalazi se 1/197 mola zlata, to jest 6,02 × 10 ^ 23 atoma / 197 = 3,06 x10 ^ 23 atoma zlata.

-Primjer 2

Odredite broj molekula kalcijevog karbonata (CaCO ₃) u 150 grama ove tvari. Recite i koliko atoma kalcija, koliko ugljika i koliko kisika ima u ovom spoju.

Riješenje

Prvo što treba učiniti je odrediti molekularnu masu kalcijevog karbonata. Periodna tablica pokazuje da kalcij ima molekulsku masu od 40 g / mol, ugljik 12 g / mol, a kisik 16 g / mol.

Tada će molekulska masa (CaCO ₃) biti:

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

Svakih 100 grama kalcijevog karbonata je 1 mmol. Tako u 150 grama odgovaraju 1,5 molu.

Svaki mol karbonata ima 6,02 x 10 ^ 23 molekula karbonata, tako da u 1,5 mola karbonata postoji 9,03 x 10 ^ 23 molekula.

Ukratko, u 150 grama kalcijevog karbonata nalaze se:

- 9.03 x 10 ^ 23 molekula kalcijevog karbonata.

- Atomi kalcija: 9,03 x 10 ^ 23.

- Također 9.03 x 10 ^ 23 atoma ugljika

- Napokon, 3 x 9.03 x 10 ^ 23 atoma kisika = 27.09 x 10 ^ 23 atoma kisika.

Reference

1. Primijenjena biologija. Koja su mikroskopska mjerenja? Oporavilo od: youtube.com
2. Kemijsko obrazovanje. Makroskopski, submikroskopski i simbolički prikazi o materiji. Oporavilo sa: scielo.org.mx.
3. García A. Interaktivni tečaj fizike. Makro stanja, mikrostanice. Temperatura, entropija. Oporavak od: sc.ehu.es
4. Mikroskopska struktura materije. Oporavilo od: alipso.com
5. Wikipedia. Mikroskopska razina. Oporavilo sa: wikipedia.com