ESCALA MICROSCÒPICA: PROPIETATS, COMPTAR PARTÍCULES, EXEMPLES - FÍSICA - 2025

La escala microscòpica és aquella que s'utilitza per mesurar les mides i longituds que no poden apreciar-se a simple vista i que estan per sota de l'mil·límetre de longitud. De major a menor, les escales microscòpiques en el sistema mètric són:

- L'mil·límetre (1 mm), que és la desena part d'un centímetre o la mil·lèsima part d'un metre. En aquesta és l'escala tenim a una de les cèl·lules més gran de l'organisme, que és l'òvul, que pesa de 1,5 mm.

Figura 1. Els glòbuls vermells són cèl·lules a escala microscòpica. Font: pixabay

- La desena de mil·límetre (0,1 mm). Aquesta és l'escala de el gruix o diàmetre d'un cabell humà.

- El micròmetre o micra (1μm = 0,001mm). En aquesta escala hi ha les cèl·lules vegetals i animals i els bacteris.

Les cèl·lules vegetals són de l'ordre de 100μm. Les cèl·lules animals són deu vegades menors, és de l'ordre de 10μm; mentre que els bacteris són 10 vegades menors que les cèl·lules animals i són de l'ordre de 1μm.

escala nanomètrica

Hi ha mesures encara més petites que l'escala microscòpica, però que no s'utilitzen habitualment excepte en alguns contextos especials. A continuació veurem algunes de les mesures nanomètriques més importants:

- El nanòmetre (1 ηm = 0,001 micres = 0,000001 mm) és la milionèsima part d'un mil·límetre. En aquesta escala hi ha alguns virus i molècules. Els virus són de l'ordre dels 10ηm i les molècules de l'ordre 1ηm.

- El angstrom (1a = 0,1ηm = 0,0001μm = 10 ^-7 mm). Aquesta mesura forma l'escala o mida atòmic.

- El fantómetro (1FM = 0,00001Å = 0,000001ηm = 10 ^-12 mm). Aquesta és l'escala dels nuclis atòmics, els quals són entre 10 mil i 100 mil vegades més petits que l'àtom. No obstant això, malgrat la seva petita grandària, el nucli concentra el 99,99% de la massa atòmica.

- Hi ha escales menors a l'nucli atòmic, ja que aquests estan constituïts per partícules com ho són els protons i els neutrons. Però hi ha més: aquestes partícules estan al seu torn estan constituïdes per partícules més fonamentals com ho són els quarks.

Instruments per a l'observació microscòpica

Quan els objectes estan entre les escala mil·limètrica i la micromètrica (1 mm - 0,001mm), poden ser observats amb un microscopi òptic.

No obstant això, si els objectes o estructures estan entre els nanòmetres i els Angstrom, llavors es requerirà de microscopis electrònics o de l'nanoscopio.

En la microscòpia electrònica en comptes de llum s'usen electrons d'alta energia que tenen una longitud d'ona molt menor que la llum. El desavantatge de l'microscopi electrònic és que no és possible col·locar-hi mostres vives perquè treballa a el buit.

En canvi, en el nanoscopio s'usa llum làser, i té l'avantatge sobre la microscòpia electrònica que es poden mirar i gravar les estructures i molècules dins d'una cèl·lula viva.

La nanotecnologia és la tecnologia amb la qual es fabriquen circuits, estructures, peces i fins motors en les escales que van des del nanòmetre fins a l'escala atòmica.

propietats microscòpiques

En física, en una primera aproximació s'estudia el comportament de la matèria i els sistemes des del punt de vista macroscòpic. Des d'aquest paradigma la matèria és un continu infinitament divisible; i aquest punt de vista és vàlid i adequat per a moltes situacions de la vida quotidiana.

No obstant això, alguns fenòmens de l'món macroscòpic només tenen explicació si es tenen en compte les propietats microscòpiques de la matèria.

En el punt de vista microscòpic es té en compte l'estructura molecular i atòmica de la matèria. A diferència de l'aproximació macroscòpica, en aquesta escala hi ha una estructura granular amb buits i espais entre les molècules, els àtoms i fins i tot dins d'aquests.

L'altra característica del punt de vista microscòpic en física, és que un tros de matèria per petit que sigui, està compost d'un enorme nombre de partícules separades entre si i en continu moviment.

-La matèria és un immens buit

En un petit tros de matèria la distància entre àtoms és enorme si es compara amb la grandària dels mateixos, però al seu torn els àtoms són enormes si es comparen amb els seus propis nuclis, on està concentrada el 99,99% de la massa.

És a dir, un tros de matèria en l'escala microscòpica és un enorme buit amb concentracions d'àtoms i nuclis que ocupen una petitíssima fracció de l'volum total. En aquest sentit l'escala microscòpica té similitud amb l'escala astronòmica.

Dels objectes macroscòpics a la descoberta de l'àtom

Els primers químics, que van ser els alquimistes, es van adonar que els materials podien ser de dos tipus: purs o compostos. Així es va arribar a la idea dels elements químics.

Els primers elements químics descoberts van ser els set metalls de l'antiguitat: plata, or, ferro, plom, estany, coure i mercuri. Amb el temps es van anar descobrint més en la mesura que es trobaven substàncies que no podien descompondre en altres.

Després els elements es van classificar segons les seves propietats i característiques en metalls i no metalls. Tots aquells que tenien propietats i afinitat química semblant es van agrupar en una mateixa columna, i així va sorgir la taula periòdica dels elements.

Figura 2. Taula periòdica dels elements. Font: wikimedia commons.

Dels elements es va passar a la idea dels àtoms, paraula que significa indivisible. Poc temps després els científics es van adonar que els àtoms sí tenien una estructura. A més els àtoms tenien dos tipus de càrrega elèctrica (positiva i negativa).

partícules subatòmiques

En els experiments de Rutherford en què va bombardejar els àtoms d'una prima placa d'or amb partícules alfa, es va posar de manifest l'estructura de l'àtom: un petit nucli positiu envoltat d'electrons.

Es van seguir bombardejant els àtoms cada vegada amb partícules de més energia i encara es continua fent, per tal d'esbrinar els secrets i propietats de l'món microscòpic cada vegada a menor escala.

D'aquesta manera es va arribar a el model estàndard, en el qual s'estableix que les veritables partícules elementals, són aquelles de les que es componen els àtoms. Al seu torn, els àtoms donen lloc als elements, aquests als compostos ia totes les interaccions conegudes (excepte la gravitació). En total són 12 partícules.

Aquestes partícules fonamentals també tenen la seva taula periòdica. Hi ha dos grups: les partícules fermiónicas d'espín ½ i les bosónicas. Les bosónicas són responsables de les interaccions. Les fermiónicas són 12 i són les que donen lloc als protons, neutrons i als àtoms.

Figura 3. Partícules fonamentals. Font: wikimedia commons.

Com comptar partícules en escala microscòpica?

Amb el temps els químics van anar descobrint les masses relatives dels elements a partir de mesures precises en les reaccions químiques. Així per exemple va poder determinar que el carboni és 12 vegades més pesat que l'hidrogen.

També es va determinar que l'hidrogen és l'element més lleuger, de manera que a aquest element se li va assignar la massa relativa gener.

D'altra banda els químics requerien saber el nombre de partícules que intervenen en una reacció, de manera que ni sobre ni falti cap reactiu. Per exemple una molècula d'aigua requereix dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen.

D'aquests antecedents neix el concepte de mol. Un mol de qualsevol substància és una quantitat fixa de partícules equivalent a la seva massa molecular o atòmica en grams. Així es va determinar que 12 grams de carboni tenen el mateix nombre de partícules que 1 gram d'hidrogen. Aquest nombre es coneix com el nombre d'Avogadro: 6,02 x 10 ^ 23 partícules.

-exemple 1

Calculi quants àtoms d'or hi ha en 1 gram d'or.

solució

Se sap que l'or té un pes atòmic de 197. Aquesta dada pot trobar-se en la taula periòdica i indica que un àtom d'or és 197 vegades més pesat que un d'hidrogen i 197/12 = 16,416 vegades més pesat que el carboni.

Un mol d'or té 6,02 × 10 ^ 23 àtoms i té el pes atòmic expressat en grams, és a dir, 197 grams.

En un gram d'or hi ha 1/197 mols d'or, és a dir 6,02 × 10 ^ 23átomos / 197 = 3,06 · 10 ^ 23 àtoms d'or.

-exemple 2

Determineu el nombre de molècules de carbonat de calci (CaCO ₃) que hi ha a 150 grams d'aquesta substància. Digui també quants àtoms de calci, quants de carboni i quants d'oxigen hi ha en aquest compost.

solució

El primer és determinar la massa molecular de l'carbonat de calci. La taula periòdica indica que el calci té un pes molecular de 40 g / mol, el carboni 12 g / mol i l'oxigen 16 g / mol.

Llavors la massa molecular de (CaCO ₃) serà:

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

Cada 100 grams de carbonat de calci són 1mol. Llavors en 150 grams corresponen a 1,5 mols.

Cada mol de carbonat té 6,02 x 10 ^ 23 molècules de carbonat, pel que en 1,5 mols de carbonat hi ha 9,03 x 10 ^ 23 molècules.

Resumint, en 150 grams de carbonat de calci hi ha:

- 9,03 x 10 ^ 23 molècules de carbonat de calci.

- Àtoms de calci: 9,03 x 10 ^ 23.

- També 9,03 x 10 ^ 23 àtoms de carboni

- Finalment, 3 x 9,03 x 10 ^ 23 àtoms d'oxigen = 27,09 x 10 ^ 23 àtoms d'oxigen.

referències

1. Biologia aplicada. Quines són les mesures microscòpiques ?. Recuperat de: youtube.com
2. Educació Química. Representacions macroscòpiques, submicroscòpiques i simbòliques sobre la matèria. Recuperat de: scielo.org.mx.
3. García A. Curs interactiu de física. Macroestats, microestats. Temperatura, Entropia. Recuperat de: sc.ehu.es
4. L'estructura microscòpica de la matèria. Recuperat de: alipso.com
5. Wikipedia. Nivell Microscòpic. Recuperat de: wikipedia.com