Atom - Introducere

În majoritatea științelor trebuie să devii destul de avansat până să ajungi să adresezi întrebările filosofice interesante, dar în chimie începe de la bun început cu ceea ce este probabil cea mai interesantă parte filosofică a întregului subiect și aceea e atomul. Şi ideea atomului, aşa cum filozofii ziceau de mult, şi poţi să te interesezi dacă vrei, primii filozofi care au filozofat despre asta, au spus, hei, dacă dacă aş începe cu, idk, cu un măr, aş începe cu un măr şi aş continua să-l tai-- stai să desenez un măr frumuşel, aşa să n-arate ca o inimioară. Aşa. Ai un măr frumuşel, şi continui să-l tai, in bucăţele mici mici. Deci eventual ai o bucăţică aşa micuţă încât nu o mai poţi tăia. :C Şi sunt sigur că unii din filozofii ăştia or luat un cuţit şi au încercat şi s-or gândit că oh, dacă aş putea doar să-mi ascut cuţitul puţin, aş putea să-l tai din nou şi din nou! (fiţi optimişti yey) Deci îi o construcţie complet filozofică, care nu îi chiar aşa îndepărtată de cum cunoaştem atomul în ziua de azi. Îi doar o abstracţie mentală care ne ajută să descriem multe observaţii pe care le găsim în Univers. Anyway, filozofii ăştia au spus, well, la un momentdat credem că o să fie o mică parte a mărului pe care nu o s-o putem tăia. Şi au numit-o "atom". Şi au spus că nu trebuie să fie neapărat un măr. Îi adevărat pentru orice substanţă sau element pe care îl găseşti în Univers. Şi aşa "atom" înseamnă "care nu se poate tăia" în greacă. Indivizibil. Indivizibil. Acuma noi ştim că defapt se poate tăia şi nu e cea mai mică formă de materie pe care o ştim. Ştim că un atom îi format din mai multe particule fundamentale. Şi lăsaţi-mă să scriu asta. Deci avem neutronul Şi o să desenez aici cum stau toate împreună şi structura atomului. Avem un neutron. Avem un proton. Şi avem electroni. electroni. Şi probabil eşti deja familiar cu asta, dacă te uiţi la videoclipuri vechi cu proiecte atomice, o să vezi desenul ăsta... Să vedem dacă pot să-l fac şi eu... Ceva în genu. Şi ai chestiile astea învârtindu-se care arată cam aşa. Orbitele care arată cam aşa. Şi poate ceva care arată aşa. Şi noţiunea generală în spatele desenelor ăstora nucleare (şi sunt sigur că încă mai apar la ceva laboratoare apărătoare de guvern sau locuri de genu) îi că ai un nucleu în mijlocul atomului. Ai un nucleu în mijlocul atomului. Şi ştim că nucelul are neutroni şi protoni. Neutroni şi protoni. Şi o să mai vorbim despre care elemente au câţi neutroni şi câţi protoni. Şi o să folosesc cuvântul orbită puţin deşi o să învăţăm imediat ca acest cuvânt este incorect sau chiar un mod idiot de a vizualiza ce face un electron. Dar vechea ideea îi ca ai aceşti electroni care orbitează în jurul nucelului în acelaşi mod în care Pământul orbitează în jurul soarelui, sau luna orbitează în jurul Pământului. Şi a fost dovedit că defapt asta îi foarte greşit. Şi când vom face mecanicile quantum vom învăţa de ce asta nu are cum să meargă, care sunt contradicţiile când încerci să modelezi un electron ca o planetă mergând în jurul Soarelui. Dar asta era idea originală, şi cred că genul ăsta de idee îi cea mai populară modalitate de a vedea un atom. Am spus că atomul îi interesant filozofic. De ce îi interesant filozofic? Pentru că ce vedem noi acum ca modul acceptat de a vedea un atom defapt începe să se înceţoşeze linia dintre realitatea noastră fizică, şi totul în lume îi doar informaţie, şi nu există defapt "materie adevărată" sau "particule adevărate" în modul în care le definim noi în viaţa de zi cu zi. Ştii, pentru mine, o particulă, oh, arată, ca un bob de nisip. Pot să-l iau, să-l ating. Pe când o undă, gen o undă sonoră, ar putea fi doar schimbarea asta de energie în timp. Dar o să învăţăm, mai ales în mecanica quantum, că totul se încurcă atunci când ne apropriem de mărimea scalară unui atom. Anyway, am zis că ăsta îi un mod incorect. Care îi modul corect? Deci defapt, asta e o poză, nu chiar, e şi o descriere. Deci e o întrbare interesantă, ce tocmai am spus. Cum poţi avea poza unui atom? Pentru că până la urmă majoritatea lungimilor de unde de lumină, mai ales lungimile de unde de lumină vizibile, sunt mult mai largi decât mărimea unui atom. Tot ce observăm în viaţă este reflectat de llumină. Dar dintr-o dată, când ne referim la un atom, reflectarea luminii devine un instrument prea mare prea brut ca să se observe atomul. În orice caz, aceasta este o imagine a atomului de heliu. Atomul de heliu are doi protoni şi doi neutroni. Sau cel puţin acest atom de heliu are doi protoni şi doi neutroni. Şi modul în care arată aici în nucleu, chiar aici, poate aceştia sunt-- asum că roşu îi pentru protoni şi mov pentru neutroni. Mov pare mai mult o culoare neutră. Şi stau în mijlocul atomului. Şi toată ceaţa asta în jurul lor, aceea sunt cei doi electroni pe care îi are heliumul, sau cel puţin cei pe care acest atom de heliu îi are. Ai putea câştiga sau pierde un electron. Dar acesştia sunt doi electroni. Cum stai acolo şi spui "Dar Sal, cum poate ceaţa asta să fie doi electroni?" ? Şi aici devine interesant filozofic! Deci nu poţi descrie calea unui electron în jurul nucleului cu tradiţionala idee de orbită pe care am întâlnit-o uitându-ne la planete sau dacă ne imaginăm lucruri la o scală mai mare. Ci defapt la un electron nu poţi să-i şti exact momentumul şi locaţia la nici un punct în timp. Tot ce poţi să ştii îi probabilitatea distribuţiei a unde îi cel mai probabil să fie. Şi cum îi descris aici, negru îi probabilitate mai mare, deci şansele să găseşti electronul aici sunt mai mari decât aici. Dar electronul ar putea fi chiar oriunde. Ar putea fi şi aici, deşi îi complet alb. Normal, cu o foarte foarte foarte foarte foarte mică probabilitate. Şi aşa funcţia asta a unde se poate găsi un electron e numită un ORBITAL. Orbital. A nu se confunda cu orbită. Orbital. Nu uita, o orbită îi ceva în genu ăsta. Gen Venus mergând în jurul Soarelui. Îi uşor pentru noi să ne imaginăm. Orbitalul este defapt o probabilitate matematică funcţie care ne spune unde este mai probabil să găsim un electron. O să avem mult mai mult de-a face cu asta când ne vom ocupa de mecanicile quantum, dar atunci nu o să fie cu scopul de genul introdecerea în lumea chimiei. Dar hei, interesant, nu crezi? Comportamentul unui electron la scala aia îi aşa bizar încât tu nu poţi-- adică, să-l numeşti o particulă îi aproape derutant. Îi numit o particulă, dar nu o particulă în sensul cu care ne-am obişnuit noi în viaţa de zi cu zi. Îi o chestie la care nu ştii nici măacar unde e! Ar putea fi oriunde în ceaţa asta. Şi vom învăţa mai târziu ca sunt diferite forme de "ceaţă" adăugând din ce în ce mai mulţi electroni la atom. Pentru mine, începe să adreseze probleme filozofice gen "ce îi materia defapt?" sau "lucrurile pe care le vedem, cât de reale sunt?" Sau cel puţin cât de reale sunt, definind realitatea? Anyway nu vreau să devin prea filozofic cu tine. Dar toată noţiunea electronilor, protonilor, sunt sunt întemeiate pe noţiunea asta a schimbării. Şi am mai vorbit despre asta când am învăţat despre legea lui Colomb. Poţi să revezi legile lui Colomb în plazlistul cu fizică. Dar ideea îi că un electron este încărcat cu sarcină negativă. Un proton, câteodată scris aşa, are sarcină pozitivă. Şi un neutron nu are nicio sarcină. Şi asta era tentant la modelul original al unui electron. Dacă ar spune, ok, dacă chestia asta are sarcină pozitivă, nu? Deci hai să spunem că ăştia în doi neutroni şi doi protoni. Să spunem că îi un atom de heliu. Atunci o să avem nişte sarcini pozitive aici. Şi nişte sarcini negative acolo. Sarcininele opuse se atrag. Şi atunci dacă chestiile astea au o viteză, destulă viteză, ar obita în jurul ăsteia, ca şi cum orbitează o planeta în jurul Soarelui. Dar acum înzăţăm, deşi asta îi parţial adevărat, că cu cât mai departe îi un electron de nucleu, cu atât are mai multă energie potenţială. Şi aşa o să vrea să se mişte în jurul nucleului, dar din cauza mecanicii la nivelul quantum, nu o să aibă o mişcare aşa de simplă, gen o cometă în jurul Soarelui, are defapt genul ăsta de comportament tip undă, unde are doar posibilitatea asta de funcţie care îl descrie. Dar cu cât un orbital îi mai departe, cu atât are mai mult potenţial. O să aprufundăm asta în videoclipurile următoare. Dar oricum, cum recunoşti ce este un element? Am vorbit mult despe filozofie şi toate alea, dar de unde ştiu eu că acesta este heliu? După numărul de neutroni? După numărul de protoni? După numărul de electroni? Răspunsul este, după numărul de protoni. Deci dacă ştii numărul de protoni, ştii ce element este. Şi numărul de protoni, e definit ca şi NUMĂRUL ATOMIC. Deci să zicem că ceva are patru protoni. De unde ştim ce este? Well în caz că nu l-am memorat, putem să-l căutăm pe tabelul periodic al elementelor, cu care o să avem destulă treabă în plazlistul ăsta. Şi tu spui, oh, 4 protoni îi beriliu. Chiar acolo. Şi numărul atomic îi numărul pe care îl vezi aici. Şi ăsta îi literal numărul de protoni. Şi asta face diferenţa dintre un atom şi celălalt. Dacă ai 15 protoni, avem de+aface cu fosfor. Şi dintr-o dată, dacă ai 7 protoni, ai nitrogen. Dacă ai 8, ai oxigen. Şi asta defineşte elementele. Acuma o să vorbim în viitor despre ce se întâmplă cu sarcina şi toate alea. Sau ce se întâmplă daca câştigi sau pierzi electroni. Dar asta nu schimba elementul pe care îl ai. Şi tot aşa, dacă schimbi numărul de neutroni, tot nu schimbă elementul pe care îl ai. Dar asta duce la o întrbare evidentă, câţi neutroni şi electroni ai? Well, dacă un atom îi neutru la sarcină, înseamnă că are acelaşi număr de elctroni. Deci să zicem că am carbon. Numărul atomic îi 6. Şi masa îi 12. Ce înseamnă asta? Şi lasă-mă să spun şi că îi o particulă neutră. Asta este o particulă neutră. Deci numărul atomic pentru cărbune e 6. Asta ne spune exact câţi protoni are. Deci dacă ar trebui să desenez un mic model aici, şi ăsta îi 100% un model neacurat. O să desenez 6-- 2, 3, 4, 5, 6 protoni în mijloc. Şi greutatea acestor protoni, fiecare proton e o unitate de masă, şi o să vorbim mai mult despre cum se relatează la kilograme. E o fracţiune foarte mică dintr-un kilogram. Aproximativ 1,6 ori 10 la puterea minus 27 ori un kilogram. Deci să spunem cp fiecare dintre astea are o unitate atomică de masă (u), şi îi egală cu aproximativ, cred, 1,67 ori 10 la puterea -27. Acesta este un număr foarte mic Este cam imposibil de vizualizat. Cel puţin pentru mine (tristut :C) Asta îmi spune masa întregului atom de carbon, masa acestui particular atom de carbon. Şi asta se poate schimba de la atom de carbon la atom de carbon. Şi îi esenţial masa tuturol protonilor şi a neutronilor (togheter everyone~~) Şi fiecare proton are o masă atomic de 1, în unităţi atomice de masă (u), şi fiecare neutron are u=1. Deci practic faci numărul de protoni + numărul de neutroni. În cazul ăsta avem 6 protoni, deci ne trebe şi 6 neutroni. 6 neutroni + 6 protoni. Dar unde sunt electroni? Am zic că atomul îi neutru, deci protonii au o sarcină pozitivă egală cu sarcina negativă a electronilor. Pentru că e un atom neutru, şi are 6 protoni are tot 6 neutroni. Lasă-mă să desenez asta. Deci am zis că avem 6 neutroni aici. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Deci chiar aici îi nucleul. Şi dacă ar trebui să desenăm electronii-- well aş desena ceaţa, dar am vrea să vizualizăm mai bine, am zice, ok, o sa fie 6 electroni 1, 2, 3, 4, 5, 6. Şi o să se mişte în jur imprevizibil, aşa încât avem nevoie ca să descriem movimentul de o funcţie de probabilităţi. Şi aşa lcurul interesant e că, majoritatea masei atomului stă chiar aici. Adică cred ca ai notat ca atunci când lumea vorbeşte de masă când le pasă de masa atomică a unui atom, ignoră electroni (TT.TT no friends) Şi asta-i pentru că masa unui proton, îi egal cu 1,836 electroni. Deci dacă ne gândim la masa unui atom, pentru lucruri de bază, putem ignora masa unui electron. E defapt masa nucleului care contează ca masa atomului. Acuma poate vezi tabelui acesta periodic şi spui, ok, ne-au dat numărul atomic aici. Numărul atomic al oxigenului e 8. Deci are 8 protoni. Numărul atomic al siliciului e 14. Deci are 14 protoni. Acuma, ce îi chestia asta? Hai să vedem, carbon. În carbon avem acest 12,0107. Aceea e masa atomică a carbonului. Lăsaţi-mă să scriu asta. Masa atomică a carbonului. Masa atomică a carbonului e 12,0107. Deci ce înseamnă asta? Are carbonul 6 protoni şi atunci restul, restul de 6,0107 neutroni îi gen, o fracţiune a neutronului? :\ NU. Înseamnă că dacă ai face media aritmetică a tuturor versiunilor de carbon de pe planetă, şi ai face media lor aritmetică a numărului de neutroni pe baza cantităţii din diferitele tipuri de carbon, ăsta îi rezultatul. Deci defapt carbonul, cele doua tipuri majore, cel mai răspândit este carbon-12. Deci asta îi aşa. Deci asta are 6 protoni şi 6 neutroni. Şi un alt isotop de carbon. Acuma isotopul îi gen, acelaşi element dar cu un număr diferit de neutroni. Un alt isotop de carbon e carbon-14, care e mai greu de găsit pe planetă. Nu ştim cât este în Univers (uhmm -.-") doar pe planetă. Acuma dacă ar trebui să le faci media aritmetică ţi+ar ieşi carbon-13 şi atunci masa atomică ar fi 13, dar ar trebui să pui mai mult din greutatea ăstuia pentru că există în cantităţi mai mari pe Pământ. Practic ăsta-i îi aproape tot carbonul pe care îl vezi. Dar este un pic şi din ăştia. Deci dacă îi cântăreşti cum trebuie, media devina asta. Deci cam tot carbounul pe care îl vei găsi-- dacă ai găsit carbon undeva; greutatea lui în u va fi aproximativ 12,0107. Dar ideea de isotop este una interesantă. Aminteşte-ţi, când schimbi neutroni, nu schimbi elementul fundamental. Pur şi simplu ai un alt isotop, o altă versiune a elementului respectiv. Deci aceste versiuni ale carbounului sunt isotopi. Acuma vreau să termin acest video cu ceea ce cred că este cea mai bună idee în spatele atomilor. Şi cele mai filozofal interesante lucruri despre ei. Este că mărimea relativă-- deci, avem aceşti electroni, care reprezintă o foarte mică masă din atom. 1/2000 din masa unui atom sunt electronii. Şi şi aceeia, sunt greu de descris ca particule, deoarece nu poţi spune exact unde sunt sau cât de repede se deplasează. Au pur şi simplu o funcţie de probabilitate. Deci majoritatea atomului este în nucleu. Şi acesta este lucrul interesant. Dacă te uiţi la un atom în medie, daca spui că ăsta îi atomul meu. Să zicem că am 2 atomi care sunt legaţi unul de celălalt (do you feel me~~?) Şi aş zice, cât din asta îi defapt "chestie"? Şi când zic "chestie", e un concept foarte abstract, pentru că vorbim de nucleu,, nu? Pentru că nucleul este unde toată masa este, toată "chestia". Şi se întâmplă defpat ca e o fractie infinitezimală a volumului atomului-- volumul atomului e greu de definit, pentru că electronul poate să meargă cam oriunde, deci dacă vezi volumul ca unde îi cel mai probabil să găseşti un electron, sau cu 90% probabilitate că o să-l găseşti, atunci nucleul este, în multe cazuri, şi cum mă gândesc eu la el, e cam 1/10,000 din volum. Deci, dacă te gândeşti un pic, când te uiţi la ceva, dacă te uiţi la mâna ta sau dacă te uiţi la perete, sau la calculator, 99.99% e SPAŢIU GOL. Nimic. Vacuum. Dacă ai avea ceva ultra-mic-- cred că le-am putea numi particule sau ceva-- majoritatea ar trece prin orice lucru la care te uiţi acuma. Deci deja începe să-ţi pună întrebări pe realiatea noastră. Ce este acolo, când, dacă-- şi asta îi adevărat, nu ceva teorie-- daca iei orice de la blocurile de construcţie, la nivel atomic, majoritatea obiectului respectiv îi vacuum. Ai putea merge prin obiectul respectiv dacă ai fi aşa de mic. Imaginea unui atom de heliu, se spune ca ăsta e 1 femtometru. Ok? 1 femtometru. Asta e scala nucleului unui atom de heliu, ok? 1 femtometru. Acesta este 1 angstrom, da? Şi se spune că 1 armostrom=100.000femtrometrii. Şi ca să înţelegi mai bine, 1 armstrom e 1 ori 10 la -10 metri, nu? Deci atomul e pe undeva pe la scala unui angstrom. În acest cazul heliumului, nucleul e o fracţie şi mai mică. Este 1/100.000. Deci dacă ai avea-- să zicem că ai heliu lichid, pe care ar trebui să fie foarte rece. Dacă te uiţi la el, majoritatea lui e spaţiu gol. Dacă te uiţi la o bară de fier, marea, marea, mare, marea, marea, marea majoritate este spaţiu gol. Şi nici măcar nu am spus, poate este ceva spaţiu liberi înăuntrul nucelului despre care vom putea vorbi în viitor. Dar pentru mine este incredibil, că majoritatea lucrurilor pe care le vedem nu sunt aşa de solide. Sunt defapt spaţiu liber, dar par solide Din cauza modului în care lumina se reflectă pe ele sau din cauza forţelor. Dar defapt nu este nimic de atins aici. Cel mai mult din chestia asta este spaţiu liber! Cred că am spus deja cuvintele "spaţiu liber" destul (da lol) şi cred o să las celelalte lucruri de mind-blow pentru videoclipurile următoare. (bye-byu~~^^)