Grein um atómfræði og hreyfifræði
Atómkenningin
Í þúsundir ára trúðu Forn-Grikkir að öll hrein efni (eins og gull, járn o.s.frv.) væru samsett úr atómum. Samkvæmt þeim, ef hreint efni er skorið í smáa bita, þá eru smáu hlutar skornir aftur, síðan skornir til baka ... og svo framvegis, þá verða til minnstu bitarnir sem ekki er hægt að skera aftur. Minnstu bitarnir sem ekki er hægt að skera aftur eru kallaðir atóm. Atóm þýðir „ekki hægt að skipta“ (gríska).
Á þeim tíma var talið að atómið væri ekki lengur klofið. En síðar uppgötvuðu sumir vísindamenn rafeindir og kjarna (róteindir og nifteindir) þannig að sú forsenda að ekki væri hægt að skipta atómum niður var röng. Þannig eru atóm samansett úr rafeindum (neikvætt hlaðnum) og kjarna. Rafeindir hringsóla umhverfis kjarnann. Inni í kjarnanum eru róteindir (jákvætt hlaðnar) og nifteindir (hlutlausar eða óhlaðnar).
Það er til önnur kenning; hún heitir samfellda kenningin. Þessi kenning segir að hægt sé að skipta hreinum efnum í óendanlegt. Samkvæmt þessari kenningu er ekkert til sem heitir minnsti bitinn. Minnstu bitana er samt hægt að skipta í smærri bita. Þannig verður hann óendanlegur. Hvor þessara tveggja kenninga er rétt? Rétta atómkenningin eða samfellda kenningin?
Í eðlisfræði verður hver kenning viðurkennd vísindalega ef hægt er að sanna hana með tilraunum. Á 18., 19. og 20. öld var atómkenningin sönn með tilraunum sem vísindamenn framkvæmdu.
Fyrst skaltu skilja eftirfarandi umsögn. Frumefni eru hrein efni sem ekki er hægt að skipta efnafræðilega í önnur efni, til dæmis gull (Au), járn (Fe), kopar (Cu), sink (Zn), natríum (Na), kalsíum (Ca), klór (Cl), köfnunarefni (N), súrefni (O), vetni (H) o.s.frv. Auk frumefna eru einnig til efnasambönd. Efnasambönd eru samansett úr frumefnum. Þar sem þau eru samsett úr frumefnum er samt hægt að skipta efnasambandinu í frumefni. Dæmi um efnasambönd eru vatn.
Minnsti hluti frumefnis er atóm, en minnsti hluti efnasambands er sameind. Sameindir eru samansettar úr atómum sem festast saman. Hreint gull er dæmi um frumefni. Hreint gull samanstendur af gullatómum (Au). Járnbrot eru einnig dæmi um frumefni. Járn samanstendur af járnatómum (Fe). Þannig er frumefnið hreint efni sem samanstendur af svipuðum atómum.
Vatnið sem þú sérð oft, heldur á og drekkur er samsett úr vatnssameindum (efnaformúlan er H₂O ) . Vatnsameindir eru samansettar úr tveimur vetnisatómum (H) og einu súrefnisatómi (O).
Hér eru nokkrar sannanir fyrir atómkenningunni:
Í fyrsta lagi, lögmálið um stöðuga samanburð.
Samanburðarlögmálið segir að ef frumefnin sameinast og verða að efnasamböndum, þá hafa efnasamböndin sem myndast sama massahlutfall. Til dæmis salt. Saltið sem við sjáum er efnasamband sem samanstendur af saltsameindum (NaCl). Náttúrulega myndast saltsameindir alltaf úr 23 hlutum af natríum (Na) og 35 hlutum af klór (Cl).
Samfellda kenningin getur ekki útskýrt þetta, en atómkenningin getur útskýrt það. Samkvæmt atómkenningunni eru atóm minnstu hlutar frumefnis þannig að atóm hafa massa. Massahlutfall frumefna í efnasambandi verður að vera tengt hlutfallslegum massa atómanna sem mynda frumefnið. Vísindamenn ákvarða hlutfallslegan massa atóma út frá fjölda hvers frumefnis sem myndar efnasambönd. Það er sagt vera afstætt vegna þess að hlutfallslegur massi frumefnis er borinn saman við hlutfallslegan massa annarra frumefnisatóma.
Vetni er léttasta atómið, þannig að það er notað sem viðmið. Hlutfallslegur massi vetnisatóms (H) er gefinn gildið 1. Með því að nota hlutfallslegan massa vetnisatóms sem viðmið er hlutfallslegur massi kolefnisatómsins (C) gefinn gildið 12,
Hlutfallslegur massi súrefnisatóms (O) er gefinn gildið 16 og svo framvegis (sjá lotukerfið). Hlutfallslegur massi kolefnisatóms = 12 þýðir að massi eins kolefnisatóms er 12 sinnum meiri en massi eins vetnisatóms (H). Hlutfallslegur massi súrefnisatóms = 16 þýðir að massi súrefnisatóms er 16 sinnum meiri en massi eins vetnisatóms (H).
Í Alþjóðakerfinu (SI) höfum við massastaðal, þ.e. iridium platina, sem er geymdur í alþjóðlegum vigtar- og stærðarstofnunum í Frakklandi. Samkvæmt alþjóðasamningnum er massi iridium platina 1 kg, sem er staðlað kílógramm. Á atómskala höfum við einnig annan massastaðal, það er 12 C kolefnisatóm. Samkvæmt alþjóðasamningum er massi eins kolefnisatóms á 12 C 12.0000 sameinaðar atómmassaeiningar (skammstafað u).
1 einingar = 1.66 x 10-27 kg.
Massi eins kolefnisatóms (C) = 12,0000 u, massi eins vetnisatóms (H) = 1,0078 u, massi eins súrefnisatóms (O) = 15,9994 u, massi eins natríumatóms = 22,9897 u og svo framvegis. Hvað varðar atómmassa, þá má sjá hann að fullu í lotukerfinu.
Auk atómmassa er einnig til sameindamassi. Sameindamassi er heildarmassi atóma sameindarinnar. Til dæmis er massi saltsameindar (NaCl) = massi eins natríumatóms (Na) + massi eins klóratóms (Cl). Massi vatnssameinda (H₂O ) = massi tveggja vetnisatóma (H) + massi eins súrefnisatóms (O).
Í öðru lagi, brún hreyfing
Til forna var uppi enskur líffræðingur að nafni Robert Brown. Hann var að rannsaka frjókorn sett í vatn (1827). Vatn og frjókorn eru sýnileg með smásjá. Robert Brown fannst það skrýtið eftir að hafa séð frjókornin hreyfast sjálf. Það er skrýtið vegna þess að frjókornin hreyfast. Stefna frjókornahreyfingarinnar er handahófskennd en samfelld. Hann grunar að hreyfingin sé líf, þar sem frjókorn lifa svo þau geti hreyfst. En gisk hans er röng því litlar lífrænar agnir eins og frjókorn hreyfast einnig þegar þau eru sett í vatn. Þessi hreyfing kallast Brown-hreyfing.
Þessa uppgötvun er ekki hægt að útskýra fyrr en hreyfifræðin hefur þróast.
Hreyfifræði
Hreyfifræði þýðir að hreyfast (gríska). Hreyfifræðikenningin segir að hvert efni sé samsett úr atómum eða sameindum og að atóm eða sameindir hreyfist stöðugt af handahófi.
Þegar atóm eða sameindir hreyfast verða þau að hreyfast hratt. Atóm eða sameindir hafa einnig massa. Þar sem þau hafa massa (m) og hraða (v), þá hefur atómið eða sameindin hreyfiorku (EK) og skriðþunga (p). Hreyfiorka: EK = 1/2 mv 2. Skriðþungi: p = m v. Auk skriðþunga eru til staðar kraftar. Þegar atóm hreyfast er möguleiki á árekstri. Þess vegna myndast kraftar vegna breytinga á skriðþunga þegar árekstur á sér stað.
Við getum sagt að hreyfifræðin byggist á hreyfiorku, skriðþunga og krafti. Þessir þrír þættir eru rannsakaðir í greininni um hreyfingardýnamík (lögmál Newtons, högg og skriðþunga). Munurinn er sá að í hreyfifræðinni beitum við hreyfifræði á atóm- eða sameindastigi. Hreyfifræðin var þróuð af Boyle (1627-1691), Daniel Bernoulli (1700-1782), Joule (1818-1889), Kronig (1822-1879), Rudolph Clausius (1822-1888) og Clerk Maxwell (1831-1879).
Tilvist þessarar hreyfifræði gæti skýrt uppgötvun Browns. Samkvæmt hreyfifræðinni hreyfast frjókorn vegna þess að hraðhreyfanleg vatnssameindir knýja þau áfram. Fjöldi vatnssameinda er gríðarlegur, þannig að frjókorn eru ýtt úr ýmsum áttum.
Byggt á lögmáli stöðugrar samanburðar og uppgötvun brúnrar hreyfingar, hefur frumeindakenningin notið vaxandi trúar meðal vísindamanna. Frumeindir eru minnstu einingar allra efna. Þannig hefur frumeind stærð. Hver er stærð frumeinda?
Árið 1905 rannsakaði Einstein stærð atóma í fræðilegum skilningi. Hann byggði á atómkenningu, hreyfifræði og gögnum sem hann fékk með tilraunum og komst að því að þvermál atómsins var um 10-10 m . Þvermál atómsins fæst því með útreikningum. Stærð atóma hefur verið uppgötvuð og því er atómkenningin, sem og hreyfifræðin, viðurkennd.
