Рассказ о молекулах и атомах

Все твёрдые и осязаемые тела состоят из вещества, собранного в атомах и молекулах, но между частицами есть пространство, в котором как будто бы ничего нет. Если следовать этой логике, то окажется, что и сами атомы состоят из пустоты.

Внутри атомов находятся электроны — точечные частицы, которые не имеют размеров, а ядро атома примерно в 10 тысяч раз меньше самого атома. Выходит, что любой атом почти целиком состоит из пустоты — почти всё вещество атома сосредоточено в его ядре. Ядро, в свою очередь, состоит из нейтронов и протонов, а они сложены из ещё более элементарных частей, которые называются кварками. И кварки тоже не имеют размеров — это просто точки.

Подобные рассуждения исходят из неверных допущений. На самом деле пустоты не существует…

— на уровне микромира (одной триллионной доли миллиметра) есть как минимум три явления, которые делают размышления о пустоте бессмысленными.

Примерно так атом выглядит на самом деле — миниатюрное ядро в центре электронного облака, а между ними как будто бы ничего нет

Вещество не имеет чётких границ и вообще состоит из волн

Поведение молекул, атомов и отдельных частиц вроде нейтронов и протонов описывает квантовая механика со своими законами. Одно из основных правил квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга. В вольной трактовке он звучит так:

“Нельзя с одинаковой точностью узнать местонахождение частицы и её скорость. Чем больше определена скорость частицы — тем более размыто её местоположение, и наоборот.”

Это ограничение фундаментально, оно не зависит от качества измерительных приборов. Чтобы как можно точнее определить скорость частицы — нужно пронаблюдать за ней какое-то время. В таких условиях о местоположении частицы можно сказать лишь «ну, её можно обнаружить где-то в этой области».

Принцип неопределённости — следствие двойственной природы любых частиц вещества. Тот же электрон — одновременно и частица, и волна. Как всякая волна, он «размыт» в пространстве. Поэтому в атоме его изображают не точкой, а целым облаком. Там, где яркость облака ниже — электрон находится реже, но вероятность его нахождения там никогда не равна нулю.

Когда атомы собраны в молекулы, их электронные облака могут пересекать и перекрывать друг друга. Так что невозможно с уверенностью говорить о том, что между атомами — абсолютно пустое пространство. Там всегда может оказаться электрон. Принцип неопределённости может «забрасывать» его даже в самые «неудобные» области, просто вероятность этого крайне мала.

Электронные облака атома водорода на разных уровнях энергии электрона

Существуют «фотографии» и даже целые «видеозаписи» атомов, где они выглядят как чётко очерченные шарики. Но это не настоящие изображения атомов как они есть, а всего лишь визуализации, построенные на собранных данных. На таких визуализациях местоположение и границы атомов всегда изображаются «в среднем». Иначе понятная картинка превратилась бы в расплывчатую кашу.

Чем масштабнее вещественное тело — тем определённее его границы и местоположение. Поэтому отдельная частица может «заполнить собой» целую комнату (и даже Вселенную, это не запрещено), а тела, которые состоят из огромного числа частиц (стулья, машины и дома), не расплываются и занимают вполне конечное и определённое место.

Впрочем, даже большие тела не избавлены от квантовой «расплывчатости», просто их волновая составляющая так сильно сокращается, что становится незаметной. Но её можно засечь высокоточным оборудованием. Так, в обсерватории LIGO с помощью лазеров учёные зафиксировали квантовое «дрожание» 40-килограммового зеркала — оно колебалось в пределах одной миллионной одной миллиардной миллиметра.

Виртуальные частицы — «клей» мироздания

Пусть электрон с ненулевой вероятностью может проявиться где угодно — всё-таки в атоме есть «тёмные» области, где вероятность нахождения электрона крайне мала. То есть, в этих областях большую часть времени нет никаких электронов, как и протонов, как и нейтронов. Значит, там абсолютно пусто?

И снова нет. Даже в самой «тёмной» области между ядром атома и его электроном есть нечто вполне материальное — «привязь», с помощью которой ядро удерживает электрон в атоме. Эта «привязь» — поток виртуальных фотонов, которые безостановочно снуют между ядром и электроном.

Виртуальные частицы так называются, потому что их нельзя зафиксировать напрямую. Они слишком быстро исчезают, распадаясь или превращаясь в другие частицы примерно за одну триллионную одной триллионной доли секунды. Расстояние, на которое они успевают переместиться, сравнимо с их «расплывчатостью» из-за принципа неопределённости. Это позволяет виртуальным частицам нарушать некоторые законы физики.

«Нормальные» частицы вроде реальных электронов и фотонов подчиняются базовым законам физики — их импульсы однозначно связаны с энергией, а энергию они не могут брать из ниоткуда. Но виртуальные частицы могут появляться сами по себе вопреки закону сохранения энергии, могут иметь отрицательную или мнимую массу. Всё это — полная бессмыслица с точки зрения физики. Тем не менее, есть масса признаков существования виртуальных частиц.

Эти «неправильные» частицы поистине вездесущи — они безостановочно рождаются и тут же исчезают во всех точках пространства: и между атомами, и внутри атомов, и даже внутри микрочастиц. Более того, они успевают «передать информацию» от одной реальной частицы к другой, если те находятся достаточно близко. Как в случае с электроном и протоном в ядре атома.

Схема строения протона — реальные кварки, виртуальные кварки и виртуальные глюоны. Численные масштабы не соблюдены

Внутри самого протона роль виртуальных частиц становится ещё более заметной. Протон состоит из кварков — фундаментальных частиц, которые скреплены между собой «клеем» из виртуальных глюонов, частиц-переносчиков сильного взаимодействия. Там же, прямо внутри протона «бушует море» виртуальных кварков, которые постоянно появляются и исчезают, внося некоторый вклад в массу протона.

Существование таких частиц может показаться странным и неестественным: как что-то природное может нарушать законы самой же природы? Причина — в принципе неопределённости. На очень малых расстояниях и промежутках времени некоторые физические пропорции могут «сломаться», потому что энергия, масса, импульс как бы не успевают принять определённых значений.

Весь мир как возмущения квантовых полей

Двойственность материи, где электрон или фотон одновременно частица и волна, может показаться очень надуманной и неуклюжей концепцией. Это вина квантовой механики: при всей математической точности она довольно плохо описывает суть материи, потому что пытается «скрестить ежа с ужом» — классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической.

Но можно «спуститься на уровень ниже» и перейти к квантовой теории поля — она полностью отметает классические представления о реальности. В этой теории уже нет частиц как отдельных точек или очень маленьких шариков. Всё существующее здесь представлено в виде квантовых полей, а любые частицы — лишь как возмущения этих полей, локальные всплески энергии.

Фотон и электрон как возмущения квантового поля

В таком случае, идея абсолютной пустоты отпадает как несостоятельная, даже если закрыть глаза на неопределённость положения реальных частиц и на постоянное «бурление» виртуальных частиц. Любое квантовое поле — совершенно монолитная материальная сущность, которая заполняет собой каждую точку пространства и имеет в каждой точке ненулевую энергию — энергию вакуума.

Такой подход позволяет иначе взглянуть на существование виртуальных частиц. Из-за принципа неопределённости поля постоянно колеблются, создавая иллюзию рождения частиц. Далеко не всегда это нормальные, полноценные частицы. Как правило, колебания полей порождают «дефективных уродцев» с «поломанными» свойствами. В нашей Вселенной такие частицы долго не живут — они-то и называются виртуальными.

Типичная диаграмма Фейнмана, которая изображает взаимодействие двух электронов через обмен виртуальным фотоном. Как правило, волнистыми линиями на таких диаграммах обозначаются только виртуальные частицы Изображение Dummies
Чем ближе свойства рождённой частицы к «физическому идеалу» — тем дольше она живёт. Тем частицам, что называются реальными, просто повезло иметь нормальные, пропорциональные свойства, которые соответствуют законам физики. Поэтому разница между реальными и виртуальными частицами — чисто количественная. По сути, всё это одно и то же, только первые проходят «естественный отбор», а вторые — нет.

Материя везде, пустоты не существует

Квантовые поля буквально «вшиты» в само пространство и заполняют его. В каком-то смысле, это и есть настоящая, фундаментальная материя нашей Вселенной. То, что люди привыкли видеть в повседневной жизни — лишь волновая «рябь» квантовых полей. Считать, что между частицами ничего нет — всё равно, что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому что пелена облаков скрывает землю внизу.

Понятие пустоты в физике вообще довольно условно, что демонстрирует эффект Унру. Его описание гласит: если начать достаточно быстро ускоряться, то из «пустоты» внезапно появятся частицы тёплого газа. То есть, «пустотность» окружающей среды зависит от ускорения наблюдателя, что совсем уж непривычно и полностью противоречит человеческой интуиции.

И пусть эффект Унру до сих пор не подтверждён на опыте — он хорошо показывает, насколько беспомощными могут быть попытки человека судить о пустоте и материи за пределами своей повседневной реальности, которая составляет очень и очень небольшую часть Вселенной.

источник

Просмотрено:
391

Предмет

химия

Класс 8

Дата

Тема учебного занятия

«Атомы, молекулы и ионы»

Цель и задача учебного занятия

 Сформировать представления о строении атома. Объяснить различие между атомом, молекулой и ионом.

Основные понятия

Атом, молекула, ионы, протоны, нейтроны, электроны.

Тип и форма учебного занятия

урок – изучение нового материала

Планируемые образовательные результаты

Предметные

Метапредметные

Личностные

Понимать смысл понятий «атом», «молекула», «ион». Знать, как устроен атом.

Формировать умение преобразовывать текстовую информацию в схему.

Формировать мировоззрение, соответствующее современному уровню развития науки.

Основные виды деятельности учащихся

Работать с текстом, находить в нём ответы на заданные учителем вопросы, схематично изображать строение атома на основе словесного описания. Готовить презентации по теме урока.

Технологии обучения или элементы технологий

Технология развития критического мышления, игровые технологии, проблемно- развивающее обучение, здоровьесберегающие технологии, ИКТ

Средства обучения, дидактическое обеспечение урока

проектор, презентация, интерактивная доска, учебник, рабочая тетрадь, ПСХЭ

Организационная структура урока

Этапы урока

Деятельность преподавателя

Деятельность учеников

I. Организационный момент

Приветствие учеников. Выявление отсутствующих. цели и задач урока, этапов урока и времени каждого этапа.

Настраивание на восприятие материала урока.

II. Актуализация знаний

Повторите из раздела физики «Первоначальные сведения о строении вещества».

Какими опытами можно доказать, что существуют атомы и молекулы?

 Отвечают на вопросы учителя

III. Постановка проблемы урока

(мотивация и целеполагание)

Итак ребята , мы повторили первоначальные сведения о строении вещества. Как вы думаете из чего состоит все что нас окружает?

Учащиеся выдвигают гипотезу и формулируют тему?

Отвечают на вопросы учителя

Выдвигают гипотезы, предположения, определяют тему и цели урока.

IV. Изучение нового материала

Изучение нового материала начинается с первоначальных представлений об атомах и молекулах.

Древнегреческим философом Демокритом (2500 лет назад) был введён термин «атом», что означает «неделимый». Ломоносов  утверждал, что вещества состоят из корпускул (молекул), в состав которых входят элементы (атомы). Давайте рассмотрим рис. 14 учебника – разложение воды электрическим током.

Молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, при пропускании электрического тока распадается. Из двух молекул воды образуется одна двухатомная молекула кислорода и две двухатомные молекулы водорода.

Учащиеся рассматривают схематичное изображение этого процесса в учебнике (с. 26).

Определения: молекулы – это мельчайшие частицы многих веществ, состав и химические свойства которых такие же, как у данного вещества.

Атомы – это мельчайшие химически неделимые вещества.

Основные заслуги в развитии атомно-молекулярных представлений принадлежат английскому учёному Дж. Дальтону.

Учащиеся продолжают работу с учебником: ищут ответ на вопрос, какие вещества состоят из отдельных атомов.

Строение атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого находятся отрицательно заряженные электроны. Внутри ядра находятся положительно заряженные протоны и нейтральные – нейтроны.

 Атом — это нейтральная частица, если число протонов в нём равно числу электронов. Что же произойдёт, если атом потеряет либо приобретёт один или несколько электронов? Учащиеся должны сделать вывод, что нейтральный атом превратится в заряженную частицу (положительную или отрицательную).

Определение: если атом теряет или приобретает один или несколько электронов, то он превращается в заряженную частицу ИОН.

Работают в тетради, с учебником

V. Закрепление изученного материала

1. Верны ли следующие суждения о молекулах?

А) молекулы являются химически делимыми частицами.

Б) молекулы состоят из атомов.

2. Установите соответствие между названием элементарной частицы и её зарядом:

1) протон                 а) -1

2) нейтрон               б) +1

3) электрон              в) 0

Работают на местах

VI. Рефлексия

Попробуем подвести итоги. Основные выводы:

• Что такое атом и молекула? Чем они различаются?
• Что такое ион? В каком случае атом превращается в ион?
• В каком случае атом электронейтрален?
• Какие элементарные частицы входят в состав ядра?

Итак, ребята. Над какой темой мы сегодня работали? Поделитесь своими впечатлениями об уроке. Что вы нового узнали? Что хотели бы узнать? Что вызвало затруднения?

Участвуют в эвристической беседе.

VII. Итоги урока

Выставление оценок.  Домашнее задание: п. 7, с. 25 – 27, с. 28, упр. 2,4,5,8. Подготовить презентацию по теме: «Роль Ломоносова и Дальтона в создании атомно – молеклярного учения».

САМОАНАЛИЗ

Тему сформировали учащиеся правильно. Была поставлена цель и задачи . Цель и задачи были достигнуты.

Планируемые результаты: Предметные – закрепили. Метапредментные – связь с физикой установлена. Личностные —  сформированы.

Все разнообразие нашего мира построено из атомов и молекул. Удивительно, как проявления форм жизни образовались лишь на основе протонов, нейтронов и электронов. Элементарная основа позволяет каждому веществу и организму выполнять свою функцию. Так из семи нот пишется музыка разных направлений, разных стилей. Мы собрали 10 самых интересных фактов об атомах и молекулах.

Самый легкий из атомов – атом водорода

В периодической таблице химических элементов водород стоит на первом месте. Его ядро состоит лишь из одного протона, вокруг которого вращается единственный электрон. Простейшее строение определяет минимальную массу, которую может иметь атом – 1,008 а.е.м. или 1,7х10-24 г.
На Земле водород существует в виде соединений с другими веществами или образует двухатомную молекулу Н2. Если считать в массовом отношении, на его долю приходится 1% земной коры. Если перевести массу в количество атомов, то содержание водорода окажется более внушительным – 17%. Этот показатель ставит элемент на второе место после кислорода (52%).
Во Вселенной водород составляет 88,6% от общей доли атомов, находящихся в космосе в виде звездного вещества и космической пыли.

Главной молекулой живой природы является молекула ДНК

В молекуле ДНК сосредоточена информация о строении каждой клетки живого организма, словно это проектное бюро города, где собраны подробные планы всех зданий. Внешне она напоминает перевитую веревочную лестницу, состоящую из двух нитей и соединенную водородными связями. ДНК вирусов может представлять одну цепочку.
Информация зашифрована в генах, то есть участках молекулы. Ген представляет собой определенную последовательность нуклеотидов, способных передать код для построения белков и РНК (информационных, транспортных, рибосомных, матричных).
Спираль ДНК человека, если ее вытянуть, протянется почти на 2 м. Это тем более удивительно, что она умещается в ядре размером меньше микрометра. Свернуться в компактную хромосому молекуле помогают нуклеосомы. На них ДНК наматывается, как на катушку.

Пыль – это частица, состоящая из квадриллиона атомов

Пылью называют твердые минеральные или органические частицы размером не более 0,05 мм. Природа образования может быть как естественной, так и связанной с деятельностью человека (антропогенной). В воздух поднимаются вулканический пепел, морская соль, сухая почва, продукты горения после пожаров, пыльца растений. Человек способствует загрязнению воздуха продуктами отопления и горных разработок, выхлопами автотранспорта, удобрениями. Вспашка земли и оголение почвы выкосами травы опасны выветриванием и переносом верхнего слоя грунта ветром.
Если сравнивать твердую взвесь с газообразными загрязнителями воздуха, то последние присутствуют в виде отдельных молекул. Пыль же в каждой частице содержит огромное число молекул и еще большее число атомов.

Атом может иметь электрический заряд

В составе атома электроны несут отрицательный заряд, протоны – положительный. Нейтроны не имеют заряда, то есть нейтральны. Когда количество протонов равно количеству электронов, заряд атома равен нулю. В случае, если электронов больше или меньше, чем протонов, у атома появляется заряд. Он становится ионом.
Ядро, состоящее из нейтронов и протонов, обладает ощутимой массой. Нужно определенное количество энергии, чтобы заставить его терять протоны. Электроны, которые вращаются вокруг него, значительно легче могут перемещаться от одного атома к другому. Добавление электронов приводит к образованию отрицательного заряда, потеря частиц – положительного. Атомы с положительным зарядом называют катионами, атомы с избытком электронов становятся анионами.

Самый тяжелый из атомов – атом урана

Из природных элементов атом урана имеет самую большую массу – 238,0289 а.е.м. В природе находится в основном в виде изотопа U-238. Атом с его 92 протонами чрезвычайно перегружен, при любой возможности выбрасывает протоны и нейтроны с огромной скоростью.
Открыл элемент германский химик Мартин Клапрот в 1789 году при анализе отработанной руды после добычи серебра. «Странное вещество», похожее на металл было диоксидом урана, но выяснилось это только через 50 лет. Клапрот назвал находку в честь далекой планеты, открытой к этому времени Гершелем.
В конце 19 века во Франции Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана, то есть способность терять частицы. Распад может иметь 14 циклов. Уран превращается в радий, радон и другие элементы, образуя на последней стадии свинец.

Слово «атом» происходит из древнегреческого языка и означает «неделимый»

Еще в Древней Греции философ и математик Демокрит предположил, что окружающее состоит из мельчайших частичек. Отсюда произошел термин «атом» или «atomos». Однако подтверждение теория получила только в результате работы ученых в последние 150 лет и с помощью изобретенного микроскопа.
Первое исследование провел англичанин Джон Дальтон на рубеже 18-19 веков. Он установил, что химические элементы вступают в реакции в строго определенном соотношении (закон кратных отношений).
Сейчас мы знаем, что атом представляет собой наименьшую частицу химического элемента и не всегда является неделимым. В состав атома входит ядро с протонами и нейтронами или просто нуклонами от латинского слова «nucleus» – ядро. Снаружи вокруг атома расположено электронное облако.

Стекло не является твердым телом

Твердость вещества – характеристика, основанная на прочности химических связей между атомами и молекулами. В жидкости частицы могут перемещаться относительно друг друга. В твердых телах они лишены такой возможности.
При производстве стекла молекулы кремния, обычно принимающие структуру кристаллической решетки, не успевают занят положенное им место. Стекло быстро остывает и частицы остаются перемешанными хаотично. Такое вещество называют аморфным, однако все же оно твердое.
Вязкость стекла сопоставима с вязкостью свинца, но ведь свинец никто не называет жидкостью. Бытует мнение, что со временем оконные стекла «стекают» вниз. В пример ставят витражи в средневековых храмах. Следует уточнить, что утолщения в их основании появились не с течением времени, а были изначально. Причина кроется в несовершенстве технологии производства.

Молекула меньше яблока во столько же раз, во сколько яблоко меньше Земли

Чтобы представить видимые и невидимые параметры окружающего мира, представим все молекулы одного кубического сантиметра воздуха в виде кирпичей. Их количества хватило бы для покрытия поверхности планеты на высоту 40-этажного дома.
Размеры молекул и атомов настолько малы, что в решении задач молекулярной физики используют относительные величины. Установить их удалось лишь с изобретением электронного микроскопа. Средний диаметр атома и простейшей молекулы составляет порядка 10-10 м. Так, размер молекулы белка – 43х10-10 м. Крупные молекулы достигают 10-7 м.
В ионный микроскоп можно разглядеть строение кристалла и даже определить межатомные расстояния.

Ученые смогли охладить молекулы монофторида стронция практически до абсолютного нуля

Выбор пал на монофторид стронция (SrF) неслучайно. Принцип охлаждения атомов основан на периодическом повторении поглощения и испускания фотонов под воздействием лазера. Таким образом атом теряет кинетическую энергию. Молекулы не настолько чувствительны. Мешает колебательная и вращательная энергия межатомных связей. У фторида стронция эти явления минимальны.
Группа ученых Йельского университета во главе с Д. Демиллем добилась охлаждения молекулы до 300 мкК (0,0003 К). За счет подобранной длины волны лазер погасил вращательные межатомные движения. В дальнейшем молекулы вели себя аналогично атому.
Практически такое достижение в перспективе можно использовать в квантовых компьютерах.

Скорость движения молекул воды может достигать 650 м/с

Молекулы воды находятся в постоянном тепловом движении. Они колеблются с большой частотой (одно колебание за 10-12 … 10-13 с) возле определенного положения, изредка прыгая на освободившееся соседнее место. Скорость движения при этом может приближаться к 600-650 м/с.
И все же молекулы не разлетаются, остаются жидкостью. Происходит это за счет водородных связей. В молекуле H2O пары электронов смещены в сторону кислорода. Водород, оставшийся практически без электрона, представляет собой положительно заряженное ядро. В результате протон водорода притягивает соседние атомы кислорода, образуя прочную межмолекулярную связь.
Благодаря такому сцеплению вода в условиях Земли принимает в основном жидкое состояние, а не кипит как аналогичные гидриды (серы, селена) при –80°С. Водородные связи определяют физические и химические свойства воды, на которых основана жизнь на нашей планете.