SCALA MICROSCOPICA: PROPRIETÀ, CONTEGGIO PARTICELLE, ESEMPI - FISICO - 2024

La scala microscopica è quella che viene utilizzata per misurare dimensioni e lunghezze che non possono essere viste ad occhio nudo e che sono inferiori a un millimetro di lunghezza. Dalla più alta alla più bassa, le scale microscopiche nel sistema metrico sono:

- Il millimetro (1 mm), che è un decimo di centimetro o un millesimo di metro. In questa scala abbiamo una delle cellule più grandi del corpo, che è l'ovulo, la cui dimensione è di 1,5 mm.

Figura 1. I globuli rossi sono cellule su scala microscopica. Fonte: pixabay

- Il decimo di millimetro (0,1 mm). Questa è la scala dello spessore o del diametro di un capello umano.

- Il micrometro o micron (1μm = 0,001 mm). Su questa scala ci sono cellule vegetali e animali e batteri.

Le cellule vegetali sono dell'ordine di 100 μm. Le cellule animali sono dieci volte più piccole, è dell'ordine di 10μm; mentre i batteri sono 10 volte più piccoli delle cellule animali e sono dell'ordine di 1μm.

Scala nanometrica

Esistono misure anche più piccole della scala microscopica, ma non sono comunemente utilizzate se non in alcuni contesti particolari. Qui vedremo alcune delle più importanti misurazioni nanometriche:

- Il nanometro (1 ηm = 0,001 μm = 0,000001 mm) è un milionesimo di millimetro. Su questa scala ci sono alcuni virus e molecole. I virus sono dell'ordine di 10 me le molecole dell'ordine di 1 m.

- L'Angstrom (1A = 0.1ηm = 0.0001μm = 10 ^-7 mm). Questa misura forma la scala o la dimensione atomica.

- Il phantomometer (1FM = 0.00001Å = 0.000001ηm = 10 ^-12 mm). Questa è la scala dei nuclei atomici, che sono tra 10.000 e 100.000 volte più piccoli dell'atomo. Tuttavia, nonostante le sue piccole dimensioni, il nucleo concentra il 99,99% della massa atomica.

- Esistono scale più piccole del nucleo atomico, poiché queste sono costituite da particelle come protoni e neutroni. Ma c'è di più: queste particelle sono a loro volta composte da particelle più fondamentali come i quark.

Strumenti per l'osservazione microscopica

Quando gli oggetti si trovano tra le scale millimetriche e micrometriche (1 mm - 0,001 mm), possono essere osservati con un microscopio ottico.

Tuttavia, se gli oggetti o le strutture si trovano tra nanometri e Angstrom, saranno necessari i microscopi elettronici o il nanoscopio.

Nella microscopia elettronica, invece della luce, vengono utilizzati elettroni ad alta energia che hanno una lunghezza d'onda molto più corta della luce. Lo svantaggio del microscopio elettronico è che non è possibile posizionare campioni vivi in ​​esso perché funziona sotto vuoto.

Invece, il nanoscopio utilizza la luce laser e ha il vantaggio rispetto alla microscopia elettronica che le strutture e le molecole all'interno di una cellula vivente possono essere visualizzate e incise.

La nanotecnologia è la tecnologia con cui vengono prodotti circuiti, strutture, parti e persino motori su scale che vanno dal nanometro alla scala atomica.

Proprietà microscopiche

In fisica, in prima approssimazione, il comportamento della materia e dei sistemi viene studiato dal punto di vista macroscopico. Da questo paradigma la materia è un continuum infinitamente divisibile; e questo punto di vista è valido e appropriato per molte situazioni della vita quotidiana.

Tuttavia, alcuni fenomeni nel mondo macroscopico possono essere spiegati solo se si tiene conto delle proprietà microscopiche della materia.

Dal punto di vista microscopico, si tiene conto della struttura molecolare e atomica della materia. A differenza dell'approccio macroscopico, su questa scala c'è una struttura granulare con lacune e spazi tra molecole, atomi e persino al loro interno.

L'altra caratteristica dal punto di vista microscopico in fisica è che un pezzo di materia, non importa quanto piccolo, è composto da un numero enorme di particelle separate l'una dall'altra e in continuo movimento.

-La materia è un vuoto immenso

In un piccolo pezzo di materia, la distanza tra gli atomi è enorme se paragonata alla loro dimensione, ma a loro volta gli atomi sono enormi se confrontati con i loro stessi nuclei, dove è concentrato il 99,99% della massa.

Cioè, un pezzo di materia su scala microscopica è un enorme vuoto con concentrazioni di atomi e nuclei che occupano una frazione molto piccola del volume totale. In questo senso, la scala microscopica è simile alla scala astronomica.

Dagli oggetti macroscopici alla scoperta dell'atomo

I primi chimici, che erano gli alchimisti, si resero conto che i materiali potevano essere di due tipi: puri o composti. Così è nata l'idea degli elementi chimici.

I primi elementi chimici scoperti furono i sette metalli dell'antichità: argento, oro, ferro, piombo, stagno, rame e mercurio. Nel corso del tempo, sono state scoperte altre sostanze quando sono state trovate sostanze che non potevano essere decomposte in altre.

Quindi gli elementi sono stati classificati in base alle loro proprietà e caratteristiche in metalli e non metalli. Tutti quelli che avevano proprietà e affinità chimica simili furono raggruppati nella stessa colonna, e così nacque la tavola periodica degli elementi.

Figura 2. Tavola periodica degli elementi. Fonte: wikimedia commons.

Dagli elementi è cambiata l'idea degli atomi, parola che significa indivisibile. Poco tempo dopo, gli scienziati si sono resi conto che gli atomi avevano una struttura. Inoltre, gli atomi avevano due tipi di carica elettrica (positiva e negativa).

Particelle subatomiche

Negli esperimenti di Rutherford in cui ha bombardato gli atomi di una sottile lamina d'oro con particelle alfa, è stata rivelata la struttura dell'atomo: un piccolo nucleo positivo circondato da elettroni.

Gli atomi sono stati bombardati da sempre più particelle di energia e viene ancora fatto, al fine di svelare i segreti e le proprietà del mondo microscopico su scala sempre più piccola.

In questo modo è stato raggiunto il modello standard, in cui si stabilisce che le vere particelle elementari sono quelle di cui sono composti gli atomi. A loro volta, gli atomi danno origine a elementi, questi a composti ea tutte le interazioni conosciute (eccetto la gravitazione). In totale ci sono 12 particelle.

Queste particelle fondamentali hanno anche la loro tavola periodica. Esistono due gruppi: le particelle fermioniche di ½ spin e quelle bosoniche. I bosoni sono responsabili delle interazioni. I fermionici sono 12 e sono quelli che danno origine a protoni, neutroni e atomi.

Figura 3. Particelle fondamentali. Fonte: wikimedia commons.

Come contare le particelle su scala microscopica?

Nel tempo, i chimici hanno scoperto le masse relative degli elementi da misurazioni precise nelle reazioni chimiche. Così, ad esempio, è stato stabilito che il carbonio è 12 volte più pesante dell'idrogeno.

È stato anche determinato che l'idrogeno è l'elemento più leggero, quindi a questo elemento è stata assegnata la massa relativa 1.

D'altra parte, i chimici dovevano conoscere il numero di particelle coinvolte in una reazione, in modo che nessun reagente fosse finito o mancasse. Ad esempio, una molecola d'acqua richiede due atomi di idrogeno e un ossigeno.

Da questi antecedenti nasce il concetto di talpa. Una mole di qualsiasi sostanza è un numero fisso di particelle equivalente alla sua massa molecolare o atomica in grammi. Così è stato determinato che 12 grammi di carbonio hanno lo stesso numero di particelle di 1 grammo di idrogeno. Quel numero è noto come numero di Avogadro: 6,02 x 10 ^ 23 particelle.

-Esempio 1

Calcola quanti atomi d'oro ci sono in 1 grammo d'oro.

Soluzione

Si sa che l'oro ha un peso atomico di 197. Questi dati possono essere trovati sulla tavola periodica e indicano che un atomo d'oro è 197 volte più pesante dell'idrogeno e 197/12 = 16.416 volte più pesante del carbonio.

Una mole d'oro ha 6,02 × 10 ^ 23 atomi e ha il peso atomico in grammi, cioè 197 grammi.

In un grammo d'oro ci sono 1/197 moli d'oro, cioè 6,02 × 10 ^ 23 atomi / 197 = 3,06 x10 ^ 23 atomi d'oro.

-Esempio 2

Determina il numero di molecole di carbonato di calcio (CaCO ₃ ) in 150 grammi di questa sostanza. Indica anche quanti atomi di calcio, quanto carbonio e quanto ossigeno ci sono in questo composto.

Soluzione

La prima cosa da fare è determinare la massa molecolare del carbonato di calcio. La tavola periodica indica che il calcio ha un peso molecolare di 40 g / mol, carbonio 12 g / mol e ossigeno 16 g / mol.

Quindi la massa molecolare di (CaCO ₃ ) sarà:

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

Ogni 100 grammi di carbonato di calcio è 1mol. Quindi in 150 grammi corrispondono a 1,5 moli.

Ogni mole di carbonato ha 6,02 x 10 ^ 23 molecole di carbonato, quindi in 1,5 moli di carbonato ci sono 9,03 x 10 ^ 23 molecole.

Insomma, in 150 grammi di carbonato di calcio ci sono:

- 9,03 x 10 ^ 23 molecole di carbonato di calcio.

- Atomi di calcio: 9,03 x 10 ^ 23.

- Anche 9,03 x 10 ^ 23 atomi di carbonio

- Infine, 3 x 9,03 x 10 ^ 23 atomi di ossigeno = 27,09 x 10 ^ 23 atomi di ossigeno.

Riferimenti

1. Biologia applicata. Quali sono le misurazioni microscopiche? Estratto da: youtube.com
2. Educazione chimica. Rappresentazioni macroscopiche, submicroscopiche e simboliche sulla materia. Recupero da: scielo.org.mx.
3. García A. Corso interattivo di fisica. Macro-stati, microstati. Temperatura, entropia. Recupero da: sc.ehu.es
4. La struttura microscopica della materia. Estratto da: alipso.com
5. Wikipedia. Livello microscopico. Estratto da: wikipedia.com