Атом теориясы және кинетикалық теория туралы мақала
Атомдық теория
Мыңдаған жылдар бойы ежелгі гректер әрбір таза зат (мысалы, алтын, темір және т.б.) атомдардан тұрады деп сенген. Олардың ойынша, егер таза зат кішкене бөліктерге кесілсе, онда ұсақ бөлшектер қайтадан кесіледі, содан кейін қайтадан кесіледі... және тағы басқалар, онда қайтадан кесілмейтін ең кішкентай бөліктер болады. Қайта кесілмейтін ең кішкентай бөліктер атомдар деп аталады. Атом «бөлінбейді» дегенді білдіреді (грек тілінде)
Сол кезде атом енді бөлінбеген деп есептелді. Бірақ кейінірек кейбір ғалымдар электрондар мен атом ядроларын (протондар мен нейтрондарды) ашты, сондықтан атомдарды бөлуге болмайды деген болжам қате болды. Демек, атомдар электрондардан (теріс зарядталған) және атом ядроларынан тұрады. Электрондар ядроны айнала қоршап тұрады. Ядроның ішінде протондар (оң зарядталған) және нейтрондар (бейтарап немесе зарядталмаған) бар.
Тағы бір теория бар; атауы - үздіксіз теория. Бұл теория таза заттарды шексіздікке бөлуге болатынын айтады. Бұл теорияға сәйкес, ең кішкентай бөлшек деген нәрсе жоқ. Ең кішкентай бөлшектерді әлі де кішірек бөліктерге кесуге болады. Сонымен, ол шексіз болады. Бұл екі теорияның қайсысы дұрыс? Дұрыс атомдық теория ма, әлде үздіксіз теория ма?
Физикада әрбір теорияны тәжірибелер арқылы дәлелдеуге болатын болса, ол ғылыми тұрғыдан танылады. 18, 19 және 20 ғасырларда ғалымдар жүргізген тәжірибелер арқылы атом теориясы шындыққа айналды.
Алдымен келесі шолуларды түсініп алыңыз. Элементтер - химиялық тұрғыдан басқа заттарға бөлінбейтін таза заттар, мысалы, алтын (Au), темір (Fe), мыс (Cu), мырыш (Zn), натрий (Na), кальций (Ca), хлор (Cl), азот (N), оттегі (O), сутегі (H) және т.б. Элементтерден басқа қосылыстар да бар. Қосылыстар элементтерден тұрады. Элементтерден тұратындықтан, қосылысты әлі де элементтерге бөлуге болады. Қосылыстардың мысалдары - су.
Элементтің ең кіші бөлігі - атом, ал қосылыстың ең кіші бөлігі - молекула. Молекулалар бір-біріне жабысып тұратын атомдардан тұрады. Таза алтын - элементтің мысалы. Таза алтын алтын (Au) атомдарынан тұрады. Темір кесектері де элементтердің мысалы болып табылады. Темір темір (Fe) атомдарынан тұрады. Демек, элемент - ұқсас атомдардан тұратын таза зат.
Сіз жиі көретін, ұстайтын және ішетін су су молекулаларынан тұрады (химиялық формуласы H₂O ) . Су молекулалары екі сутегі атомынан (H) және бір оттегі атомынан (O) тұрады.
Атом теориясының кейбір дәлелдері:
Біріншіден, тұрақты салыстыру заңы.
Салыстыру заңы бойынша, егер элементтер қосылыстарға айналса, түзілген қосылыстардың массалық қатынасы бірдей болады. Мысалы, тұз. Біз көріп отырған тұз - тұз молекулаларынан (NaCl) тұратын қосылыс. Әрине, тұз молекулалары әрқашан 23 бөлік натрийден (Na) және 35 бөлік хлордан (Cl) түзіледі.
Үздіксіз теория оны түсіндіре алмайды, бірақ атомдық теория түсіндіре алады. Атомдық теорияға сәйкес, атомдар элементтің ең кіші бөліктері болып табылады, сондықтан атомдардың массасы болады. Қосылыс элементтерінің массалық қатынасы элементті құрайтын атомдардың салыстырмалы массасына байланысты болуы керек. Қосылыстарды құрайтын әрбір элементтің санына сүйене отырып, ғалымдар атомдардың салыстырмалы массасын анықтайды. Ол салыстырмалы деп аталады, себебі элементтің салыстырмалы массасы басқа элемент атомдарының салыстырмалы массасымен салыстырылады.
Сутегі ең жеңіл атом, сондықтан ол эталон ретінде қолданылады. Сутегі атомының салыстырмалы массасы (H) 1 мәнімен беріледі. Сутегі атомының салыстырмалы массасын эталон ретінде пайдалану арқылы көміртегі атомының салыстырмалы массасы (C) 12 мәнімен беріледі,
оттегі атомының салыстырмалы массасына (O) 16 мәні беріледі және т.б. (элементтердің периодтық кестесін қараңыз). Көміртек атомының салыстырмалы массасы = 12 бір көміртек атомының массасы бір сутегі атомының (H) массасынан 12 есе үлкен екенін білдіреді. Оттегі атомының салыстырмалы массасы = 16 оттегі атомының массасы бір сутегі атомының (H) массасынан 16 есе үлкен екенін білдіреді.
Халықаралық жүйеде (ХЖ) бізде Франциядағы халықаралық салмақ және өлшем мекемелерінде сақталатын массалық эталон, атап айтқанда иридий платина бар. Халықаралық келісім бойынша иридий платинасының массасы 1 кг, бұл стандартты килограмм. Атомдық шкала бойынша бізде екінші массалық эталон бар, ол 12 С көміртек атомы. Халықаралық келісімдерге сүйене отырып, 1 көміртек атомы 12 С массасы 12 0000 біріккен атомдық масса бірлігіне (қысқартылған u) тең.
1 u = 1.66 x 10 -27 кг.
1 көміртек атомының массасы (C) = 12.0000 u, 1 сутегі атомының массасы (H) = 1,0078 u, 1 оттегі атомының массасы (O) = 15.9994 u, 1 натрий атомының массасы = 22.9897 u және тағы басқалар. Атомдық массаға келетін болсақ, оны элементтердің периодтық кестесінен толық көруге болады.
Атомдық массадан басқа, молекулалық масса да бар. Молекулалық масса - молекула атомдарының жалпы массасы. Мысалы, тұз молекуласының массасы (NaCl) = бір натрий атомының (Na) массасы + бір хлор атомының (Cl) массасы. Су молекулаларының массасы (H₂O ) = 2 сутегі атомының массасы (H₂O) + бір оттегі атомының массасы (O).
Екіншіден, қоңыр қозғалыс
Ертеде Роберт Браун есімді ағылшын биологы өмір сүрген. Ол суға салынған тозаңды зерттеп жүрген (1827). Су мен тозаңды микроскоп арқылы көруге болады. Роберт Браун тозаңның өздігінен қозғалатынын көргеннен кейін мұны таңқаларлық деп тапты. Бұл таңқаларлық, себебі тозаң қозғалады. Тозаңның қозғалыс бағыты кездейсоқ, бірақ үздіксіз. Ол қозғалыстың тіршілік екеніне, тозаң қозғала алатындай тіршілік екеніне күмәнданады. Бірақ оның болжамы қате, себебі тозаң сияқты ұсақ органикалық бөлшектер де суға салынған кезде қозғалады. Бұл қозғалыс броундық қозғалыс деп аталады.
Бұл жаңалықты кинетикалық теория дамығанға дейін түсіндіру мүмкін емес.
Кинетикалық теория
Кинетикалық – қозғалу дегенді білдіреді (грекше). Кинетикалық теория әрбір зат атомдардан немесе молекулалардан тұратынын және атомдар немесе молекулалар үздіксіз кездейсоқ қозғалатынын айтады.
Қозғалыс кезінде атомдар немесе молекулалар жылдамдық алуы керек. Атомдардың немесе молекулалардың да массасы болады. Массасы (m) және жылдамдығы (v) болғандықтан, атомның немесе молекуланың кинетикалық энергиясы (EK) және импульсі (p) болады. Кинетикалық энергия: EK = 1/2 mv2 . Импульс: p = mv. Импульстен басқа күштер де бар. Қозғалыс кезінде соқтығысу мүмкіндігі бар. Демек, соқтығысу кезінде импульстің өзгеруіне байланысты күштер пайда болады.
Кинетикалық теория кинетикалық энергияға, импульске және күшке негізделген деп айта аламыз. Бұл үш нәрсе қозғалыс динамикасы пәнінде зерттеледі (Ньютон заңдары, импульс және импульс). Айырмашылығы - кинетикалық теорияда біз динамиканы атомдар немесе молекулалар деңгейінде қолданамыз. Кинетикалық теорияны Бойл (1627-1691), Даниэль Бернулли (1700-1782), Джоуль (1818-1889), Крониг (1822-1879), Рудольф Клаузиус (1822-1888) және Клерк Максвелл (1831-1879) әзірледі.
Бұл кинетикалық теорияның болуы Браунның жаңалығын түсіндіре алады. Кинетикалық теорияға сәйкес, тозаң тез қозғалатын су молекулалары оны басқаратындықтан қозғалады. Су молекулаларының саны өте көп, сондықтан тозаң әртүрлі бағыттар бойынша итеріледі.
Тұрақты салыстыру заңына және қоңыр қозғалыстың ашылуына негізделген атом теориясына ғалымдар барған сайын сенеді. Атомдар кез келген заттың ең кішкентай бөліктері. Осылайша, атомның өлшемі бар. Атомның өлшемі қандай?
1905 жылы Эйнштейн атомдардың өлшемін теориялық тұрғыдан зерттеді. Атомдық теорияға, кинетикалық теорияға және тәжірибелер арқылы алынған деректерге сүйене отырып, ол атом диаметрінің шамамен 10-10 м екенін анықтады . Сонымен, атомның диаметрі есептеу арқылы алынды. Атомдардың өлшемі ашылды, сондықтан кинетикалық теориямен қатар атомдық теория да танылды.
