MICROSCOPISCHE SCHAAL: EIGENSCHAPPEN, DEELTJES TELLEN, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2026

De microscopische schaal is een schaal die wordt gebruikt om maten en lengtes te meten die niet met het blote oog kunnen worden gezien en die minder dan een millimeter lang zijn. Van de hoogste naar de laagste zijn de microscopische schalen in het metrieke stelsel:

- De millimeter (1 mm), dat is een tiende van een centimeter of een duizendste van een meter. Op deze schaal hebben we een van de grootste cellen in het lichaam, de eicel, waarvan de grootte 1,5 mm is.

Figuur 1. Rode bloedcellen zijn cellen op microscopische schaal. Bron: pixabay

- De tiende van een millimeter (0,1 mm). Dit is de schaal van de dikte of diameter van een mensenhaar.

- De micrometer of micron (1 μm = 0,001 mm). Op deze schaal zijn planten- en dierencellen en bacteriën.

Plantencellen zijn in de orde van 100 μm. Dierlijke cellen zijn tien keer kleiner, in de orde van grootte van 10 μm; terwijl bacteriën 10 keer kleiner zijn dan dierlijke cellen en in de orde van grootte van 1 μm zijn.

Nano schaal

Er zijn metingen die zelfs kleiner zijn dan de microscopische schaal, maar ze worden niet vaak gebruikt, behalve in sommige speciale contexten. Hier zullen we enkele van de belangrijkste nanometrische metingen zien:

- De nanometer (1 ηm = 0,001 μm = 0,000001 mm) is een miljoenste millimeter. Op deze schaal staan ​​enkele virussen en moleculen. Virussen zijn in de orde van 10m en moleculen in de orde van 1m.

- De ångström (1Å = 0,1ηm = 0,0001 μm = ^10-7 mm). Deze meting vormt de schaal of atomaire grootte.

- De phantomometer (1fm = 0,00001Å = 0,000001ηm = ^10-12 mm). Dit is de schaal van atoomkernen, die tussen de 10.000 en 100.000 keer kleiner zijn dan het atoom. Ondanks zijn kleine omvang concentreert de kern echter 99,99% van de atomaire massa.

- Er zijn kleinere schalen dan de atoomkern, aangezien deze bestaat uit deeltjes zoals protonen en neutronen. Maar er is meer: ​​deze deeltjes zijn op hun beurt weer opgebouwd uit meer fundamentele deeltjes zoals quarks.

Instrumenten voor microscopische observatie

Wanneer objecten zich tussen de millimeter- en micrometerschaal (1 mm - 0,001 mm) bevinden, kunnen ze met een optische microscoop worden waargenomen.

Als de objecten of structuren zich echter tussen nanometer en Angstrom bevinden, zijn elektronenmicroscopen of de nanoscoop vereist.

Bij elektronenmicroscopie worden in plaats van licht hoogenergetische elektronen gebruikt die een veel kortere golflengte hebben dan licht. Het nadeel van de elektronenmicroscoop is dat het niet mogelijk is om er levende monsters in te plaatsen omdat deze onder vacuüm werkt.

In plaats daarvan gebruikt de nanoscoop laserlicht en heeft het ten opzichte van elektronenmicroscopie het voordeel dat de structuren en moleculen in een levende cel kunnen worden bekeken en geëtst.

Nanotechnologie is de technologie waarmee schakelingen, structuren, onderdelen en zelfs motoren worden vervaardigd op schalen van nanometer tot atomaire schaal.

Microscopische eigenschappen

In de natuurkunde wordt in een eerste benadering het gedrag van materie en systemen bestudeerd vanuit macroscopisch oogpunt. Van dit paradigma is materie een oneindig deelbaar continuüm; en dit standpunt is geldig en geschikt voor veel situaties in het dagelijks leven.

Sommige verschijnselen in de macroscopische wereld kunnen echter alleen worden verklaard als rekening wordt gehouden met de microscopische eigenschappen van materie.

Microscopisch gezien wordt rekening gehouden met de moleculaire en atomaire structuur van materie. In tegenstelling tot de macroscopische benadering, is er op deze schaal een korrelige structuur met openingen en ruimtes tussen de moleculen, de atomen en zelfs erin.

Het andere kenmerk van het microscopisch gezichtspunt in de natuurkunde is dat een stukje materie, hoe klein ook, is samengesteld uit een enorm aantal deeltjes die van elkaar zijn gescheiden en continu in beweging zijn.

- De zaak is een enorme leegte

In een klein stukje materie is de afstand tussen atomen enorm in vergelijking met hun grootte, maar op hun beurt zijn de atomen enorm in vergelijking met hun eigen kernen, waar 99,99% van de massa geconcentreerd is.

Dat wil zeggen, een stukje materie op microscopische schaal is een enorm vacuüm met concentraties van atomen en kernen die een zeer kleine fractie van het totale volume innemen. In die zin is de microscopische schaal vergelijkbaar met de astronomische schaal.

Van macroscopische objecten tot de ontdekking van het atoom

De eerste chemici, de alchemisten, realiseerden zich dat de materialen van twee soorten konden zijn: puur of samengesteld. Zo ontstond het idee van chemische elementen.

De eerste ontdekte chemische elementen waren de zeven metalen uit de oudheid: zilver, goud, ijzer, lood, tin, koper en kwik. In de loop van de tijd werden er meer ontdekt omdat er stoffen werden gevonden die niet in andere konden worden afgebroken.

Vervolgens werden de elementen geclassificeerd op basis van hun eigenschappen en kenmerken in metalen en niet-metalen. Al degenen die vergelijkbare eigenschappen en chemische affiniteit hadden, werden gegroepeerd in dezelfde kolom, en zo ontstond het periodiek systeem der elementen.

Figuur 2. Periodiek systeem der elementen. Bron: Wikimedia Commons.

Van de elementen is het idee van atomen veranderd, een woord dat ondeelbaar betekent. Korte tijd later realiseerden wetenschappers zich dat atomen een structuur hadden. Bovendien hadden de atomen twee soorten elektrische lading (positief en negatief).

Subatomische deeltjes

In Rutherfords experimenten waarin hij de atomen van een dunne gouden plaat bombardeerde met alfadeeltjes, kwam de structuur van het atoom aan het licht: een kleine positieve kern omgeven door elektronen.

Atomen werden met steeds meer energiedeeltjes gebombardeerd en er wordt nog steeds aan gedaan om de geheimen en eigenschappen van de microscopische wereld op steeds kleinere schaal te ontrafelen.

Op deze manier werd het standaardmodel bereikt, waarin wordt vastgesteld dat de echte elementaire deeltjes die zijn waaruit atomen zijn samengesteld. Atomen geven op hun beurt aanleiding tot elementen, deze tot verbindingen, en tot alle bekende interacties (behalve gravitatie). In totaal zijn er 12 deeltjes.

Deze fundamentele deeltjes hebben ook hun periodiek systeem. Er zijn twee groepen: de ½-spin fermionische deeltjes en de bosonische deeltjes. De bosonen zijn verantwoordelijk voor de interacties. De fermionics zijn 12 en zijn degenen die protonen, neutronen en atomen veroorzaken.

Figuur 3. Fundamentele deeltjes. Bron: Wikimedia Commons.

Hoe deeltjes op microscopische schaal te tellen?

Na verloop van tijd ontdekten scheikundigen de relatieve massa van de elementen door nauwkeurige metingen in chemische reacties. Zo werd bijvoorbeeld vastgesteld dat koolstof 12 keer zwaarder is dan waterstof.

Waterstof werd ook bepaald als het lichtste element, dus dit element kreeg relatieve massa 1 toegewezen.

Aan de andere kant moesten scheikundigen het aantal deeltjes weten dat bij een reactie betrokken is, zodat er geen reagens over is of ontbreekt. Een watermolecuul heeft bijvoorbeeld twee waterstofatomen en één zuurstof nodig.

Uit deze antecedenten is het concept mol geboren. Een mol van een stof is een vast aantal deeltjes dat overeenkomt met de moleculaire of atomaire massa in gram. Zo werd vastgesteld dat 12 gram koolstof hetzelfde aantal deeltjes heeft als 1 gram waterstof. Dat aantal staat bekend als het getal van Avogadro: 6,02 x 10 ^ 23 deeltjes.

-Voorbeeld 1

Bereken hoeveel goudatomen er in 1 gram goud zitten.

Oplossing

Van goud is bekend dat het een atoomgewicht heeft van 197. Deze gegevens zijn te vinden op het periodiek systeem en geven aan dat een goudatoom 197 keer zwaarder is dan waterstof en 197/12 = 16.416 keer zwaarder dan koolstof.

Een mol goud heeft 6,02 x 10 ^ 23 atomen en heeft het atoomgewicht in gram, dat wil zeggen 197 gram.

In een gram goud zitten 1/197 mol goud, dat is 6,02 x 10 ^ 23 atomen / 197 = 3,06 x 10 ^ 23 goudatomen.

-Voorbeeld 2

Bepaal het aantal moleculen calciumcarbonaat (CaCO ₃ ) in 150 gram van deze stof. Vertel ook hoeveel calciumatomen, hoeveel koolstof en hoeveel zuurstof deze verbinding bevat.

Oplossing

Het eerste dat u moet doen, is de molecuulmassa van het calciumcarbonaat bepalen. Het periodiek systeem geeft aan dat calcium een ​​molecuulgewicht heeft van 40 g / mol, koolstof 12 g / mol en zuurstof 16 g / mol.

Dan is de molecuulmassa van (CaCO ₃ ):

40 g / mol + 12 g / mol + 3 x 16 g / mol = 100 g / mol

Elke 100 gram calciumcarbonaat is 1 mol. Dus in 150 gram komen ze overeen met 1,5 mol.

Elke mol carbonaat heeft 6,02 x 10 ^ 23 carbonaatmoleculen, dus in 1,5 mol carbonaat zitten 9,03 x 10 ^ 23 moleculen.

Kortom, in 150 gram calciumcarbonaat zit:

- 9,03 x 10 ^ 23 moleculen calciumcarbonaat.

- Calciumatomen: 9,03 x 10 ^ 23.

- Ook 9,03 x 10 ^ 23 koolstofatomen

- Ten slotte: 3 x 9,03 x 10 ^ 23 zuurstofatomen = 27,09 x 10 ^ 23 zuurstofatomen.

Referenties

1. Toegepaste biologie. Wat zijn de microscopische metingen? Hersteld van: youtube.com
2. Chemisch onderwijs. Macroscopische, submicroscopische en symbolische voorstellingen over materie. Hersteld van: scielo.org.mx.
3. García A. Interactieve cursus natuurkunde. Macro-staten, microstaten. Temperatuur, entropie. Hersteld van: sc.ehu.es
4. De microscopische structuur van materie. Hersteld van: alipso.com
5. Wikipedia. Microscopisch niveau. Hersteld van: wikipedia.com