Aine ja vuorovaikutukset

Aineen rakenne ja perushiukkaset

Atomin rakenteen historia

Aineiden kemiallisissa ominaisuuksissa havaittiin yhtäläisyyksiä \( \longrightarrow \) Vuonna 1869 Dmitri Mendelejev koosti nykyisen kaltaisen jaksollisen järjestelmän.

Antiikin Kreikan filosofi Leukippos (400-luku eaa.) \( \longrightarrow \) Kaikki maailmankaikkeudessa koostui katoamattomista, jakamattomista elementeistä, atomeista.

Atomin rakenteen historia

1897 J.J. Thomson havaitsi, että atomissa on negatiivisesti varattuja hiukkasia: elektroneja.

"rusinapullamalli"

Atomin rakenteen historia

Vuonna 1911 Ernest Rutherford havaitsi, että atomilla on positiivisesti varattu ydin, jota elektronit ympäröivät.

Atomin rakenteen historia

Vuonna 1932 oli vahvistettu atomiytimen koostuvan positiivisesti varautuista protoneista ja sähköisesti neutraaleista neutroneista. 

Nykyisin käytössä on kvanttimekaaninen atomimalli, jossa elektronien paikka ilmaistaan todennäköisyyksiä käyttäen.

Atomin rakenteen historia

Aineen perusosaset

Atomin halkaisija on noin 100 pm eli \( 100\cdot 10^{-12} \) m.

Atomiydin on noin 10 fm eli \( 10\cdot 10^{-15} \) m.
 

Elektronien sijaintia ytimen ympärillä mallinnetaan elektroniverholla.

\text{Pohdintaa: }\dfrac{10 \cdot 10^{-15} \text{ m}}{100 \cdot 10^{-12} \text{ m}}=\dfrac{10^{-14} \text{ m}}{10^{-10} \text{ m}}=\dfrac{1}{10^4}=\dfrac{1}{10000}

\( \longrightarrow \)Suurin osa atomista on tyhjää tilaa.

Aineen perusosaset

Atomissa protoneita ja elektroneja on yhtä paljon

\( \longrightarrow \) Atomi on varaukseton.

 

Protoni ja neutroni ovat massaltaan suunnilleen yhtä suuria.

Alkeis- ja perushiukkaset

Elektronia ei voida enää jakaa pienempiin osiin.

Protoni ja neutroni muodostuvat kolmesta kvarkista.

Kvarkit ja elektronit eivät enään jakaannu pienempiin osiin \( \longrightarrow \) perushiukkasia.

Alkeis- ja perushiukkaset

Jokaisella hiukkasella on olemassa myös antihiukkanen.

  • Elektronin antihiukkanen on positroni.
  • Elektronin ja positronin eroittaa toisistaan vastakkainen varaus.
  • Antihiukkanen ja hiukkanen kun kohtaa, niin hiukkasten massoista syntyy energiaa  (annihilaatio)

Aine ja vuorovaikutukset

Perusvuorovaikutukset

Perusvuorovaikutukset

Kaikki maailmankaikkeudessa tapahtuvat ilmiöt perustuvat neljään perusvuorovaikutukseen

  • gravitaatiovuorovaikutus
  • sähkömagneettinen vuorovaikutus
  • vahva vuorovaikutus
  • heikko vuorovaikutus

Arkielämän ilmiöt esim. käden ja pallon välinen vuorovaikutus, veden nousu kasvissa ylöspäin

Maa vetää kappaleita puoleensa esim.

pallo putoaa, ihmiset pysyvät Maan pinnalla.

Atomiytimessä tapahtuvat ilmiöt

  • vahva vv.: atomin ydin pysyy kasassa.
  • heikko vv.: beetahajoaminen

Vahva vuorovaikutus

Vahva vuorovaikutus vaikuttaa kvarkkien välillä sitoen ne yhteen välittäjähiukkasten, gluonien kautta.

Vahvan vuorovaikutuksen kantama on lyhyt, joten vuorovaikutus vaikuttaa vain atomin ytimessä.

Uuden tutkimuksen myötä mallit täsmentyvät: Esim. nykytiedon mukaan protoni muodostuu kolmesta kvarkista, gluoneista ja kvarkki-antikvarkkipareista.

Heikko vuorovaikutus

Vahva vuorovaikutus havaitaan vain kvarkkien välillä, mutta heikko vuorovaikutus vaikuttaa kvarkkeihin ja leptoneihin.

Heikon vuorovaikutuksen seurauksena hiukkanen voi muuttua toiseksi hiukkaseksi (esim. kuvassa neutroni muuttuu protoniksi).

Heikkoa vuorovaikutusta välittää erilaiset välibosonit. Heikon vuorovaikutuksen seurauksena ymmärretään esimerkiksi beetahajoaminen.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus

Sähkömagneettinen vuorovaikutus on varauksellisten hiukkasten välinen vuorovaikutus, jota välittää fotoni.

Atomiytimessä hiukkasia yhdessä pitävä vuorovaikutus on vahva vuorovaikutus, kun taas sähkömagneettinen vuorovaikutus havaitaan protonien välillä hylkimisenä.

Aineen osasten välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus synnyttää arkielämän kosketusvoimat kuten tukivoima ja kitka.

Gravitaatiovuorovaikutus

Massallinen kappale tuntee gravitaatiovuorovaikutuksen. Gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on gravitoni.

  • Jos kappaleen massa on pieni, gravitaatiovuorovaikutus on heikko.
  • Jos kappaleen massa on taivaankappaleen luokkaa, niin gravitaatiovuorovaikutus on merkittävä.

Gravitaatiovuorovaikutuksen voimakkuus eli kappaleen paino riippuu millaisella taivaankappaleella kappale on. Kappaleen paino on eri maassa ja kuussa.

Aine ja vuorovaikutukset

Aineen eri muodot

Alkuaineet ja isotoopit

  • Protonien lukumäärä kertoo, mistä alkuaineesta on kyse.
    • Yksinkertaisin alkuaine on vety, jonka atomiytimessä on yksi protoni.

Atomit ovat neutraaleja, joten niissä on sama määrä elektroneja kuin protoneja. Ionilla on joko elektronien yli- tai alijäämä siten, että se on sähköisesti varattu

Alkuaineet ja isotoopit

Saman alkuaineen eri isotooppeja ovat sellaiset ytimet, joissa on sama määrä protoneja mutta eri määrä neutroneja.

^{1}_1\text{H}
^{2}_1\text{H}
^{3}_1\text{H}

Isotoopeista käytetään merkintätapaa \( ^A_Z\text{X} \), jossa 

  • X on alkuaineen kemiallinen merkki
  • Z on alkuaineen protonien lukumäärä
  • A on massaluku eli protonien ja neutronien lukumäärä yhteensä

Atomi ja ioni

Atomi on sähköisesti neutraali.

Atomiytimen hiukkaset ovat voimakkaammin sitoutuneita toisiinsa, kuin elektronit atomiytimeen.

Jos elektroneja irtoaa atomista tai tulee lisää, niin atomista tulee sähköisesti varattu ioni

Atomi ja ioni

Atomi on sähköisesti neutraali.

Atomiytimen hiukkaset ovat voimakkaammin sitoutuneita toisiinsa, kuin elektronit atomiytimeen.

Jos elektroneja irtoaa atomista tai tulee lisää, niin atomista tulee sähköisesti varattu ioni

Atomista suurempiin rakenteisiin

Kun atomit liittyvät toisiinsa, muodostuvat niistä ihmiselle tutut makroskooppiset kappaleet. Vesimolekyylistä rakentuu pisara ja edelleen järvet sekä meret. Tavallisessa vesilasissa on noin \( 10^{25} \) kappaletta vesimolekyyleja.

FY1/6: Aine ja vuorovaikutukset

By Opetus.tv

FY1/6: Aine ja vuorovaikutukset

  • 999
Loading comments...

More from Opetus.tv