Номер 2, страница 5, часть 1 - гдз по физике 8 класс рабочая тетрадь Грачев, Погожев

Часть 1. Глава 1. Молекулярная теория строения вещества. Параграф 2. Свойства вещества. Модель молекулы - номер 2, страница 5.

Условие.

2. Какие эксперименты позволяют сделать заключение об очень малых размерах молекул и атомов?

Решение.

Заключение об очень малых размерах молекул и атомов можно сделать на основе нескольких ключевых экспериментов, как классических, так и современных. Вот некоторые из них:

1. Опыт с растеканием капли масла на поверхности воды

Это один из самых простых и наглядных экспериментов, позволяющих оценить размер молекулы. Суть опыта заключается в следующем: на поверхность воды в большом сосуде помещают очень маленькую каплю масла (например, оливкового). Масло не растворяется в воде и растекается по ее поверхности, образуя тонкую пленку. Если капля была достаточно мала, то пленка будет расширяться до тех пор, пока ее толщина не станет равной размеру одной молекулы (так называемый мономолекулярный слой). В этот момент дальнейшее растекание прекращается.

Зная объем капли масла $\text{V}$ и измерив площадь $\text{S}$ масляного пятна, можно оценить толщину пленки $\text{d}$, которая и будет являться приблизительным диаметром молекулы масла. Расчет производится по формуле:

$d = \frac{V}{S}$

Поскольку объем капли очень мал, а площадь пятна может быть достаточно большой, результат для $\text{d}$ получается очень маленьким, порядка $10^{-9}$ метра (нанометры). Это доказывает, что молекулы имеют чрезвычайно малые размеры.

Ответ: Эксперимент с растеканием капли масла по воде позволяет оценить диаметр молекулы, который оказывается порядка нанометров, что свидетельствует об их очень малых размерах.

2. Броуновское движение

Этот эксперимент, открытый Робертом Броуном в 1827 году, является косвенным, но очень веским доказательством существования и малости молекул. Наблюдая в микроскоп за мелкими частицами (например, пыльцой растений или частицами дыма), взвешенными в жидкости или газе, можно увидеть их беспорядочное, хаотичное движение. Альберт Эйнштейн в 1905 году теоретически объяснил это явление. Он показал, что видимое движение крупных частиц вызвано их постоянными столкновениями с невидимыми, очень маленькими и многочисленными молекулами окружающей среды (воды или воздуха). Так как удары молекул со всех сторон не скомпенсированы в каждый момент времени, взвешенная частица испытывает толчок, который заставляет ее двигаться. Анализ этого движения позволил не только подтвердить молекулярно-кинетическую теорию, но и вычислить постоянную Авогадро, что, в свою очередь, дало возможность оценить массу и размеры атомов и молекул.

Ответ: Наблюдение и теоретический анализ броуновского движения доказывают существование постоянно движущихся молекул и позволяют оценить их размеры, которые оказываются очень малыми.

3. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах

Этот метод является одним из самых точных для определения размеров атомов и расстояний между ними в кристаллических телах. Кристаллы имеют упорядоченную структуру — кристаллическую решетку, где атомы или ионы расположены в строгом порядке на определённых расстояниях друг от друга. Эта решетка может действовать как дифракционная решетка для рентгеновских лучей, длина волны которых сопоставима с межатомными расстояниями. Когда пучок рентгеновских лучей проходит через кристалл, он рассеивается на атомах и интерферирует, создавая на фотопленке или детекторе характерную картину из пятен — дифрактограмму. Анализируя расположение и интенсивность этих пятен, можно с высокой точностью рассчитать параметры кристаллической решетки, то есть расстояния между центрами соседних атомов. Это дает прямое измерение межатомных расстояний, которые оказываются порядка ангстрем ($10^{-10}$ м).

Ответ: Метод рентгеноструктурного анализа позволяет точно измерить межатомные расстояния в кристаллах, которые составляют доли нанометра, что подтверждает крайне малые размеры атомов.

4. Изображения, полученные с помощью сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов

Создание в 1980-х годах сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и позже атомно-силового микроскопа (АСМ) стало революцией в изучении наномира. Эти приборы позволяют получать изображения поверхностей с разрешением вплоть до отдельных атомов. СТМ использует тончайшую иглу, которая подводится к исследуемой проводящей поверхности на расстояние нескольких ангстрем. Между иглой и поверхностью возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния. Сканируя иглой вдоль поверхности и поддерживая ток постоянным за счет изменения высоты иглы, можно построить трёхмерную карту рельефа поверхности, на которой отчётливо видны отдельные атомы. АСМ работает по схожему принципу, но измеряет силу взаимодействия между иглой и поверхностью, что позволяет исследовать и непроводящие материалы. Эти методы не просто доказывают, что атомы малы, они позволяют их непосредственно "увидеть", манипулировать ими и измерять их расположение.

Ответ: Современные микроскопы (СТМ и АСМ) позволяют получать прямые изображения отдельных атомов и молекул, наглядно демонстрируя их существование и крайне малые размеры.