Άρθρο σχετικά με την ατομική θεωρία και την κινητική θεωρία
Ατομική θεωρία
Για χιλιάδες χρόνια, οι αρχαίοι Έλληνες πίστευαν ότι κάθε καθαρή ουσία (όπως ο χρυσός, ο σίδηρος κ.λπ.) αποτελούνταν από άτομα. Σύμφωνα με αυτούς, αν μια καθαρή ουσία κοπεί σε μικρά κομμάτια, τότε τα μικροσκοπικά μέρη κόβονται ξανά, μετά κόβονται ξανά... και ούτω καθεξής, τότε θα υπάρχουν τα μικρότερα κομμάτια που δεν μπορούν να κοπούν ξανά. Τα μικρότερα κομμάτια που δεν μπορούν να κοπούν ξανά ονομάζονται άτομα. Άτομο σημαίνει «δεν μπορεί να διαιρεθεί» (ελληνική γλώσσα).
Εκείνη την εποχή, το άτομο θεωρούνταν ότι δεν διαιρείται πλέον. Αργότερα όμως, ορισμένοι επιστήμονες ανακάλυψαν ηλεκτρόνια και ατομικούς πυρήνες (πρωτόνια και νετρόνια), επομένως η υπόθεση ότι τα άτομα δεν μπορούσαν να υποδιαιρεθούν ήταν λανθασμένη. Έτσι, τα άτομα αποτελούνται από ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτισμένα) και ατομικούς πυρήνες. Τα ηλεκτρόνια περιβάλλουν τον πυρήνα. Μέσα στον πυρήνα, υπάρχουν πρωτόνια (θετικά φορτισμένα) και νετρόνια (ουδέτερα ή μη φορτισμένα).
Υπάρχει μια άλλη θεωρία. Το όνομά της είναι η συνεχής θεωρία. Αυτή η θεωρία υποστηρίζει ότι οι καθαρές ουσίες μπορούν να διαιρεθούν στο άπειρο. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, δεν υπάρχει κάτι τέτοιο όπως το μικρότερο κομμάτι. Τα μικρότερα κομμάτια μπορούν ακόμα να κοπούν σε μικρότερα κομμάτια. Έτσι, γίνεται άπειρο. Ποια από αυτές τις δύο θεωρίες είναι σωστή; Η σωστή ατομική θεωρία ή η συνεχής θεωρία;
Στη φυσική, κάθε θεωρία θα αναγνωριστεί επιστημονικά εάν μπορεί να αποδειχθεί σε πειράματα. Τον 18ο, 19ο και 20ό αιώνα, μέσω πειραμάτων που διεξήγαγαν επιστήμονες, η ατομική θεωρία ήταν αληθής.
Αρχικά, κατανοήστε τις ακόλουθες ανασκοπήσεις. Τα στοιχεία είναι καθαρές ουσίες που δεν μπορούν να υποδιαιρεθούν σε άλλες ουσίες χημικά, για παράδειγμα χρυσός (Au), σίδηρος (Fe), χαλκός (Cu), ψευδάργυρος (Zn), νάτριο (Na), ασβέστιο (Ca), χλώριο (Cl), άζωτο (N), οξυγόνο (O), υδρογόνο (H) κ.λπ. Εκτός από τα στοιχεία, υπάρχουν και ενώσεις. Οι ενώσεις αποτελούνται από στοιχεία. Επειδή αποτελούνται από στοιχεία, η ένωση μπορεί να διαιρεθεί σε στοιχεία. Παραδείγματα ενώσεων είναι το νερό.
Το μικρότερο μέρος ενός στοιχείου είναι ένα άτομο, ενώ το μικρότερο μέρος μιας ένωσης είναι ένα μόριο. Τα μόρια αποτελούνται από άτομα που κολλάνε μεταξύ τους. Ο καθαρός χρυσός είναι ένα παράδειγμα στοιχείου. Ο καθαρός χρυσός αποτελείται από άτομα χρυσού (Au). Τα κομμάτια σιδήρου είναι επίσης ένα παράδειγμα στοιχείων. Ο σίδηρος αποτελείται από άτομα σιδήρου (Fe). Έτσι, το στοιχείο είναι μια καθαρή ουσία που αποτελείται από παρόμοια άτομα.
Το νερό που βλέπετε, κρατάτε και πίνετε συχνά αποτελείται από μόρια νερού (ο χημικός τύπος είναι H2O ) . Τα μόρια νερού αποτελούνται από δύο άτομα υδρογόνου (H) και ένα άτομο οξυγόνου (O).
Ακολουθούν μερικές αποδείξεις της ατομικής θεωρίας:
Πρώτον, ο νόμος της σταθερής σύγκρισης.
Ο νόμος της σύγκρισης ορίζει ότι εάν τα στοιχεία συνδυαστούν για να σχηματίσουν ενώσεις, οι ενώσεις που σχηματίζονται έχουν την ίδια αναλογία μάζας. Για παράδειγμα, το αλάτι. Το άλας που βλέπουμε είναι μια ένωση που αποτελείται από μόρια άλατος (NaCl). Φυσικά, τα μόρια άλατος σχηματίζονται πάντα από 23 μέρη νατρίου (Na) και 35 μέρη χλωρίου (Cl).
Η συνεχής θεωρία δεν μπορεί να το εξηγήσει, αλλά η ατομική θεωρία μπορεί να το εξηγήσει. Σύμφωνα με την ατομική θεωρία, τα άτομα είναι τα μικρότερα μέρη ενός στοιχείου, επομένως τα άτομα έχουν μάζα. Η αναλογία μάζας των στοιχείων μιας ένωσης πρέπει να σχετίζεται με τη σχετική μάζα των ατόμων που δημιουργούν το στοιχείο. Με βάση τον αριθμό κάθε στοιχείου που δημιουργεί ενώσεις, οι επιστήμονες προσδιορίζουν τη σχετική μάζα των ατόμων. Λέγεται σχετική επειδή η σχετική μάζα ενός στοιχείου συγκρίνεται με τη σχετική μάζα άλλων στοιχειακών ατόμων.
Το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο άτομο, επομένως χρησιμοποιείται ως σημείο αναφοράς. Η σχετική μάζα ενός ατόμου υδρογόνου (H) λαμβάνει την τιμή 1. Χρησιμοποιώντας τη σχετική μάζα ενός ατόμου υδρογόνου ως σημείο αναφοράς, η σχετική μάζα του ατόμου άνθρακα (C) λαμβάνει την τιμή 12,
Η σχετική μάζα του ατόμου οξυγόνου (O) λαμβάνει την τιμή 16 και ούτω καθεξής (βλ. τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων). Η σχετική μάζα ενός ατόμου άνθρακα = 12 σημαίνει ότι η μάζα ενός ατόμου άνθρακα είναι 12 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ατόμου υδρογόνου (H). Η σχετική μάζα ενός ατόμου οξυγόνου = 16 σημαίνει ότι η μάζα ενός ατόμου οξυγόνου είναι 16 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ατόμου υδρογόνου (H).
Στο Διεθνές Σύστημα (SI) έχουμε ένα πρότυπο μάζας, δηλαδή το ιρίδιο-πλατίνα, το οποίο αποθηκεύεται σε διεθνή ιδρύματα βάρους και μεγέθους στη Γαλλία. Σύμφωνα με τη διεθνή συμφωνία, η μάζα του ιριδίου-πλατίνας είναι 1 kg, δηλαδή ένα πρότυπο κιλό. Σε ατομική κλίμακα, έχουμε επίσης ένα δεύτερο πρότυπο μάζας, δηλαδή άτομα άνθρακα 12 C. Με βάση τις διεθνείς συμφωνίες, η μάζα 1 ατόμου άνθρακα 12 C είναι 12.0000 ενοποιημένες ατομικές μονάδες μάζας (συντομογραφία u).
1 u = 1.66 x 10 -27 kg.
Μάζα 1 ατόμου άνθρακα (C) = 12,0000 u, μάζα 1 ατόμου υδρογόνου (H) = 1,0078 u, μάζα 1 ατόμου οξυγόνου (O) = 15,9994 u, μάζα 1 ατόμου νατρίου = 22,9897 u και ούτω καθεξής. Όσον αφορά την ατομική μάζα, μπορεί να φανεί πλήρως στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων.
Εκτός από την ατομική μάζα, υπάρχει και η μοριακή μάζα. Η μοριακή μάζα είναι η συνολική μάζα των ατόμων ενός μορίου. Για παράδειγμα, η μάζα ενός μορίου άλατος (NaCl) = η μάζα ενός ατόμου νατρίου (Na) + η μάζα ενός ατόμου χλωρίου (Cl). Η μάζα των μορίων νερού (H2O ) = η μάζα 2 ατόμων υδρογόνου (H) + η μάζα ενός ατόμου οξυγόνου (O).
Δεύτερον, καφέ κίνηση
Στην αρχαιότητα, ζούσε ένας Άγγλος βιολόγος ονόματι Ρόμπερτ Μπράουν. Ερευνούσε τη γύρη που τοποθετούνταν στο νερό (1827). Το νερό και η γύρη είναι ορατά με μικροσκόπιο. Ο Ρόμπερτ Μπράουν το βρήκε περίεργο όταν είδε τη γύρη να κινείται μόνη της. Είναι περίεργο επειδή η γύρη κινείται. Η κατεύθυνση της κίνησης της γύρης είναι αυθαίρετη, αλλά συνεχής. Υποψιάζεται ότι η κίνηση είναι μια ζωή, όπου η γύρη ζει για να μπορεί να κινείται. Αλλά η εικασία του είναι λανθασμένη επειδή μικρά οργανικά σωματίδια όπως η γύρη κινούνται επίσης όταν τοποθετούνται στο νερό. Αυτή η κίνηση ονομάζεται κίνηση Μπράουν.
Αυτή η ανακάλυψη δεν μπορεί να εξηγηθεί μέχρι την ανάπτυξη της κινητικής θεωρίας.
Κινητική θεωρία
Κινητική σημαίνει κινούμαι (ελληνικά). Η κινητική θεωρία αναφέρει ότι κάθε ουσία αποτελείται από άτομα ή μόρια και ότι τα άτομα ή τα μόρια κινούνται συνεχώς και τυχαία.
Όταν κινούνται, τα άτομα ή τα μόρια πρέπει να επιταχύνονται. Τα άτομα ή τα μόρια έχουν επίσης μάζα. Επειδή έχουν μάζα (m) και ταχύτητα (v), τότε το άτομο ή το μόριο έχει κινητική ενέργεια (EK) και ορμή (p). Κινητική ενέργεια: EK = 1/2 mv 2. Ενώ η ορμή: p = mv. Εκτός από την ορμή, υπάρχουν δυνάμεις. Όταν κινούμαστε, υπάρχει πιθανότητα συγκρούσεων. Έτσι, οι δυνάμεις προκύπτουν λόγω αλλαγών στην ορμή όταν συμβαίνει μια σύγκρουση.
Μπορούμε να πούμε ότι η κινητική θεωρία βασίζεται στην κινητική ενέργεια, την ορμή και τη δύναμη. Αυτά τα τρία πράγματα μελετώνται στο πλαίσιο της δυναμικής της κίνησης (οι νόμοι του Νεύτωνα, η ώθηση και η ορμή). Η διαφορά είναι ότι στην κινητική θεωρία, εφαρμόζουμε τη δυναμική στο επίπεδο των ατόμων ή των μορίων. Η κινητική θεωρία αναπτύχθηκε από τους Boyle (1627-1691), Daniel Bernoulli (1700-1782), Joule (1818-1889), Kronig (1822-1879), Rudolph Clausius (1822-1888) και Clerk Maxwell (1831-1879).
Η ύπαρξη αυτής της κινητικής θεωρίας θα μπορούσε να εξηγήσει την ανακάλυψη του Μπράουν. Σύμφωνα με την κινητική θεωρία, η γύρη κινείται επειδή την κινούν ταχέως κινούμενα μόρια νερού. Ο αριθμός των μορίων νερού είναι τεράστιος, επομένως η γύρη ωθείται από διάφορες κατευθύνσεις.
Με βάση τον νόμο της σταθερής σύγκρισης και την ανακάλυψη της καφέ κίνησης, η ατομική θεωρία γίνεται ολοένα και πιο πιστευτή από τους επιστήμονες. Τα άτομα είναι τα μικρότερα κομμάτια οποιασδήποτε ουσίας. Έτσι, το άτομο έχει μέγεθος. Ποιο είναι το μέγεθος ενός ατόμου;
Το 1905, ο Αϊνστάιν διερεύνησε θεωρητικά το μέγεθος των ατόμων. Βασιζόμενος στην ατομική θεωρία, την κινητική θεωρία και δεδομένα που ελήφθησαν μέσω πειραμάτων, διαπίστωσε ότι η ατομική διάμετρος ήταν περίπου 10-10 m . Έτσι, η διάμετρος του ατόμου προκύπτει μέσω υπολογισμών. Το μέγεθος των ατόμων έχει ανακαλυφθεί, επομένως αναγνωρίζεται η ατομική θεωρία, καθώς και η κινητική θεωρία.
