20.02.2023
Уроки 58, 59
Тема. Сучасні дослідження будови речовини. Атоми і молекули. Будова атома. Наноматеріали. Основні положення МКТ
Завдання:
- Опрацювати теоретичний матеріал
- Коротко записати конспект в зошит
- Відповісти на запитання в зошиті письмово
- Переглянути відео, знизу запосиланням
https://www.youtube.com/watch?v=z0a5eGZoL9c
Історія вивчення атома
З попередніх класів ви вже багато знаєте про атом, його будову та властивості. Тому ми коротко зупинимося на історичних етапах вивчення атома.
Ганс Гейгер (1882-1945), колега та учень знаменитого фізика Ернеста Резерфорда (1871-1937), згадуючи якось про важливу подію в історії фізики, що відбулася у 1911 р., написав у листі до іншого учня свого вчителя, Джеймса Чедвіка (1891-1974): «Одного разу Резерфорд увійшов у мою кімнату у досить гарному настрої і сказав, що він тепер знає, який вигляд має атом...»
.Модель Резерфорда була не першою в історії фізики. Учитель Резерфорда, Джожеф-Джон Томсон (1856-1940), який відкрив існування в атомах електронів - найменших частинок, що несуть негативний заряд, пропонував уважати атом позитивно зарядженою кулею-сферою, у якій «плавають» електрони. Позитивний заряд в уяві Томсона був розподілений по всьому об’єму кулі.
Німецький фізик Філіпп Ленард (1862-1947) у 1903 р. запропонував модель «порожнього» атома, усередині якого літають ніким не встановлені (ні раніше, ні тепер) нейтральні частинки, складені із взаємно зрівноважених позитивних і негативних зарядів. Учений навіть придумав назву для цих неіснуючих частинок - дінаміди.
Проте модель атома Резерфорда була єдиною, право на існування якої доводилося строгими, простими і красивими дослідами. До свого відкриття учений прийшов не відразу. Працюючи майже все перше десятиліття XX ст. у Канаді (до переїзду в Англію) разом з радіохіміком Фредеріком Содді (1877-1956), Резерфорд вивчав явище радіоактивного розпаду атомів Радію, яке відкрили наприкінці XIX ст. у Франції Антуан-Анрі Беккерель (1852-1908) та подружжя Кюрі. Як відомо, П’єр Кюрі (1859-1906) і Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934), пропускаючи випромінювання від Радію через магнітне поле, установили, що частина променів відхиляється вгору від початкової траєкторії, а шлях інших залишається прямолінійний.
Резерфорд та Содді помістили шматок Радію в більш сильне магнітне поле, ніж в експериментах, описаних вище, і з подивом помітили, що та частина випромінювання, яка до цього часу вважалося рухається прямолінійно, також розділилася на дві складові: одна частина летіла і далі прямолінійно, а інша - відхилялася вниз від уявної лінії між полюсами магніту. Таким чином, з атомів Радію спонтанно випромінюються три види частинок або променів: негативно заряджені (ті, що відхиляються вгору), нейтральні і позитивно заряджені.
Знаючи силу магнітного поля та величину відхилення в полі частинок-променів, використовуючи спектральний аналіз (де природу речовини визначають за характерним для неї свіченням), Резерфорд і Содді довели, що позитивно заряджена частина випромінювання, що отримала назву α-випромінювання, є потоком іонізованих атомів Гелію. Знаменитий англійський хімік і фізик Уїльям Рамзай (1852-1916) підтвердив висновки молодих учених.
Усі експерименти і досліди Резерфорда було виконано досить просто. Відхилене магнітним полем α-випромінювання від шматка радію, проходило через тоненьку фольгу з алюмінію, міді, свинцю та інших металів і потрапляло на напівпрозорий екран, покритий шаром люмінофора (мал. 86).
Мал. 86. Установка Резерфорда
У місцях потрапляння α-частинок екран світився точковими спалахами. Кількість спалахів залежала від атомної маси елемента, з якого було зроблено фольгу: що важчий елемент, то менше і рідше світився екран.
Резерфорд попросив одного зі своїх учнів, який спостерігав за спалахами, особливо уважно стежити за віддаленими від центра частинами екрана, де, як спочатку здавалося, спалахи не відбуваються. Хоча спалахів було і небагато, їх вдалося помітити. Крім того, під час дослідження було зареєстровано, що деякі з α-частинок відскакують назад, і тому екран потрібно ставити перед фольгою, щоб було видно ці незвичайні випадки (мал. 87).
Мал. 87. Результати досліду Резерфорда
Одна з восьми тисяч частинок, що пролітали, поверталася назад. Ученим удалося не лише розгледіти це, а й підрахувати число таких випадків.
Це означало: у центрі будь-якого атома є маленьке, щільне, позитивно заряджене ядро, що відхиляє α-частинку (також позитивно заряджену), яка пролітає близько від нього, на досить великі кути, а інколи і взагалі повертає назад до джерела частинок, і тоді виникають спалахи в дальніх частинах екрана або на екрані, розміщеному перед фольгою.
Результати дослідів, які привели Резерфорда до планетарної будови атома, учений виклав у великій статті «Розсіювання альфа- і бета-частинок у речовині і структура атома» (1911 р.), опублікованій в англійському «Філософському журналі».
Резерфорд продовжував працювати далі, і завдяки копіткій роботі він виводить формулу, що пов’язує число α-частинок, відхилених на певний кут, із зарядом ядер речовини фольги-мішені. Тепер уже можна було дослідно визначити природу матеріалу мішені. Так з’явився перший ядерний метод хімічного аналізу!
Удалося нарешті оцінити розміри найменшого ядра - Гідрогену, навколо якого обертається лише один електрон. Діаметр ядра Гідрогену виявився трохи більший ніж 1,3 • 10-13 см. У важчих атомів діаметр ядра в кілька тисяч разів більший.
ЗАПИТАННЯ:
- 1. Хто з учених вивчав будову атома?
- 2. Які існували моделі атома?
- 3. У чому суть дослідів Резерфорда?
- 4. Які розміри має атом Гідрогену?
Сучасні дослідження будови речовини. Новітні технології: наноматеріали
Склад і будову тієї чи іншої речовини можна виявити фізичними методами аналізу, не вдаючись до хімічних реакцій, або фізико-хімічними методами шляхом вивчення фізичних явищ та спостереження за ними, що відбуваються під час хімічних реакцій. До таких методів, які часто називають експериментальними, належать такі методи якісного й кількісного аналізу: спектральний; люмінесцентний; оптичний; електрохімічний; хроматографічний та деякі інші.
Спектральні методи аналізу - це методи, що ґрунтуються на визначенні хімічного складу та будови речовин з їх спектра. Випромінювання, поглинання або розсіювання електромагнітного випромінювання може розглядатися як сигнал, що несе інформацію про якісний і кількісний склад речовини або про її структуру.
У сучасних фізико-хімічних дослідженнях будови речовини широко застосовують інфрачервону спектроскопію. Інфрачервоні спектри дають досить повну характеристику речовин. Інфрачервона спектроскопія може бути корисною під час вимірювання міжатомних відстаней у молекулах, під час вимірювання температури згоряння ракетного палива.
Люмінесцентний аналіз - якісний і кількісний метод дослідження різних речовин, який ґрунтується на явищі люмінесценції. Найпоширеніший люмінесцентний аналіз - аналіз з використанням люмінесценції, яку викликає ультрафіолетове проміння. Люмінесцентний аналіз дає змогу визначити якісний та кількісний склад речовин. Його використовують у видимій області спектра. Перевага методу - висока чутливість, яка дає змогу ідентифікувати речовину при її кількості від 10-8-10-9 г до 10-10-10-12 г.
Оптичні методи дослідження речовини ґрунтуються на використанні законів оптики, які стосуються природи, поширення і взаємодії з речовиною електромагнітного випромінювання оптичного діапазону (видиме світло, ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання).
Для якісного й кількісного визначення хімічних елементів у біологічних рідинах і тканинах, у лікарських засобах та інших об’єктах слугує спектрально-емісійний аналіз. Суть його у вивченні спектра світла, яке випромінюють атоми і молекули, порушені різними способами, наприклад нагріванням до високих температур.
Для вимірювання поглинання світла речовиною з метою аналізу складу і структури зразка широко застосовують фотометричні та спектрофотометричні методи. Наприклад, спектрофотометри дають змогу вивчати характерні спектри поглинання різних речовин і встановлювати їх хімічну будову й кількісний вміст у розчинах.
Електрохімічні методи аналізу речовин - сукупність методів якісного та кількісного аналізу речовин, що ґрунтуються на процесах, які протікають на електродах або в міжелектродному просторі. При цьому вимірюють ряд параметрів, наприклад електродний потенціал, кількість електрики, повний електричний опір, ємність, електропровідність, діелектрична проникність, значення яких пропорційні концентраціям речовин, які визначаються. Електрохімічні методи аналізу використовують для визначення понад 60 елементів у різних природних і промислових матеріалах, у рудах, мінералах.
Хроматографія - сучасний і високоефективний метод, дає змогу досить швидко й надійно визначати вміст окремих компонентів у сумішах, концентрувати й ідентифікувати ці компоненти. Вона ефективна не тільки в хімічному аналізі, але і в хімічній технології. У біології й агропромисловій галузі хроматографічне розділення і концентрування використовують перед кількісним визначенням мікроелементів, а також для виявлення пестицидних сполук у навколишньому середовищі. Під час технологічного контролю харчових виробництв хроматографія слугує для очищення речовин, аналізу сумішей органічних кислот, амінокислот та інших продуктів.
Для вивчення будови речовини використовують різноманітні технології. В основі будь-якого процесу лежить певна технологія, до компонент якої належать: 1) мета реалізації процесу; 2) предмет, що підлягає технологічним змінам; 3) способи й методи дії; 4) засоби технологічної дії; 5) упорядкованість й організація, протиставлені стихійним процесам.
Технологічний процес — це послідовна зміна станів, стадій розвитку, сукупність дій; виробничий процес — це сукупність взаємопов’язаних операцій і перетворень ресурсів, спрямованих на виготовлення певної продукції.
Цілеспрямовані процеси можна подати у вигляді схеми.
Наведені на малюнку 88 процеси характеризуються різною можливістю управління, а саме:
- автоматичні процеси - усі дії виконуються без будь-яких відхилень, в автоматичному режимі;
- хаотичні процеси - причинно-наслідкові зв’язки мають статистичний, імовірнісний характер;
- програмована технологія - певна послідовність процесів обробки інформації відповідно до заданої програми;
- професійно-технічна технологія - певна послідовність процесів обробки деталей, виробів, вузлів певним технологічним процесом;
- науково-технічна технологія - певна послідовність процесів обробки технологічного об’єкта (інформації, деталей, виробів, вузлів) згідно із заданим технологічним процесом і із застосуванням засобів й інтелектуальної обробки інформації;
- науково-дослідна технологія - не визначена повністю послідовність процесів обробки технологічного об’єкта відповідно до заданого технологічного процесу, який може змінюватися для отримання бажаного результату і вимагає застосування засобів інтелектуальної обробки інформації.
Мал. 89. Ікосаедричний фулерен С540
Мал. 90. Вуглецеві нанотрубки
Властивості наноматеріалів відрізняються від аналогічних матеріалів у масивному стані. Наприклад, у наноматеріалів можна спостерігати зміну магнітних, тепло- і електропровідних властивостей. Для матеріалів особливо малих розмірів буває характерна зміна температури плавлення у бік її зменшення.
Для наноматеріалів актуальна проблема їх зберігання і транспортування. Матеріали (особливо металеві) дуже активні і взаємодіють з навколишнім середовищем.
Дослідна група з Університету Райса й Ренселлерського політехнічного інституту (США) розробила найтемніший у світі матеріал. Тонка плівка (мал. 91), що складається з вуглецевих нанотрубок, відбиває лише 0,045 % світла, що падає на неї. Це в чотири рази менше, ніж у найтемнішого з раніше відомих матеріалів (нікель-фосфорного сплаву з поверхнею, укритою мікрозападинами) і приблизно в сто разів менше, ніж відбиває аркуш чорного паперу.
Мал. 91. Тонка плівка
Новий наноматеріал, який є чимось на зразок гібрида графену і вуглецевих нанотрубок (мал. 92), створили вчені того самого університету. У перспективі такий матеріал - найкраще рішення для виготовлення електродів певних електронних приладів, суперконденсаторів та інших пристроїв акумуляції електричної енергії. Дослідницька група, яку очолює хімік Джеймс Тур, виростила на поверхні графенової плівки цілісні вуглецеві нанотрубки. «Ліси» з вуглецевих нанотрубок швидко виростали з аркушів графену на вражаючу висоту до 120 мікронів. Якщо спорудити звичайний будинок з таким самим співвідношенням площі основи та висоти, то його дах вийшов би далеко за межі атмосфери.
Мал. 92. Гібрид вуглецевих нанотрубок і графену
Самоскладання - найпопулярніша технологія у природі. У ранній період створення Всесвіту з окремих атомів збиралися різноманітні речовини. У відділі фізико-неорганічної хімії Інституту загальної і неорганічної хімії ім. В. Вернадського НАН України розробляють технологію створення вуглецевих самозбірних наноматеріалів (мал. 93). Для цього вченим доводиться розпорошувати речовину у вигляді атомів, щоб вони збиралися у просторі в мікроскопічні нанотрубки. Роздивитися результат цієї операції можна тільки в надпотужні растрові мікроскопи, на яких розрізняються утворення до 10 ангстремів.
Мал. 93. Самозбірні матеріали
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
• 11 лютого відзначається Міжнародний день жінок в науці. За даними ЮНЕСКО, лише 28 % наукових працівників у світі - жінки.
В Україні 46 % - жінки-науковці. Вони найкраще зарекомендували себе в молекулярній біофізиці, психології, наноматеріалознавстві та комп’ютерній інженерії, зокрема й за кордоном.
Ольга Броварець
• Ольга Броварець - наймолодша в Україні докторка фізико-математичних наук, провідна наукова співробітниця відділу молекулярної та квантової біофізики Інституту молекулярної біології і генетики НАН України, старша наукова співробітниця кафедри молекулярної біотехнології та біоінформатики Інституту високих технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Опублікувала понад 60 статей англійською мовою в міжнародних наукових журналах. Наукові знахідки Ольги Броварець та її колег не лише дають змогу краще зрозуміти молекулярну еволюцію живого, а й відкривають нові перспективи у фармації для створення новітніх препаратів для лікування онкологічних хвороб.
ЗАПИТАННЯ:
- 1. Які сучасні дослідження будови речовини ви знаєте?
- 2. Що таке технологія?
- 3. Що таке технологічний процес?
- 4. Що таке наноматеріали? Які види наноматеріалів ви знаєте?
Дослідіть питання використання наноматеріалів у наукових і промислових цілях.
Немає коментарів:
Дописати коментар