Насколько маленький атом?
Мы каждый день держим в руках предметы, состоящие из невероятного количества атомов. Но можем ли мы представить их настоящие размеры? Сейчас мы будем уменьшаться — шаг за шагом, пока не увидим молекулы и атомы.
Путешествие
Уменьшаемся в миллиард раз
Двигай большой ползунок — и поле зрения будет сжиматься. Сначала в него помещается человек целиком, потом только палец, потом волос... а в самом конце останется один атом.
Как думаешь, сколько шагов уменьшения нужно пройти от роста человека до размера атома?
Шкала микромира: от 1 метра до 0,1 нанометраГлавный интерактив
Ползунок задаёт, какой участок пространства мы видим. Двигай его вправо — приближаемся, влево — отдаляемся. Объект в кадре меняется, когда предыдущий становится слишком крупным.
1 метр
Обрати внимание. Каждый следующий объект меньше предыдущего примерно в 10 раз. Всего таких шагов от человека до атома получается около десяти — и на каждом шаге мир становится в десять раз мельче.
Проверь себя
Что больше?
Ты только что прошёл всю шкалу. Теперь расставь объекты по размеру — от самого крупного к самому мелкому.
Расставь по размеру7 объектов
От самого большого к самому маленькому. Используй стрелки — работает и мышью, и пальцем, и с клавиатуры.
Сколько атомов уместится поперёк волоса?
Человеческий волос — это уже почти предел того, что различает глаз. Его толщина около 0,07 мм. Попробуй выложить атомы поперёк волоса и посмотри, сколько их понадобится.
Атомы поперёк волосаДвигай ползунок
Ползунок добавляет атомы в ряд. Следи за жёлтой полоской — она показывает, какую часть толщины волоса они уже заняли.
Толщина человеческого волоса примерно в миллион раз больше размера атома. Если бы атом был размером с горошину, волос был бы толщиной в километр.
А если увеличить атом?
Числа вроде «0,1 нанометра» ничего не говорят воображению. Поэтому сделаем наоборот: мысленно увеличим атом до знакомого размера — и посмотрим, во что при таком же увеличении превратится человек.
Увеличиваем всё в одно и то же число разВыбери размер атома
Выбери, каким станет атом. Человека увеличиваем во столько же раз — и смотрим, что получится.
×5 000 000
во столько раз мы увеличили и атом, и человека
Работает и обратная мысль: если человека увеличить до размера земного шара, то атом в его теле станет размером примерно с песчинку. Соотношение «человек и атом» — это примерно то же, что «Земля и песчинка».
Как это узнали
Уложим атомы в ряд
Атом нельзя измерить линейкой. Зато можно рассуждать так: если уложить атомы вплотную в ряд длиной 1 сантиметр, сколько их поместится? Учёные научились определять это число из опытов — например, растекая каплю масла в тончайшую плёнку толщиной в одну молекулу.
Линейка длиной 1 сантиметрУкладываем атомы
Добавляй атомы в ряд и следи, какую часть сантиметра они занимают. Дойди до конца линейки.
Поперёк одного сантиметра укладывается около 100 миллионов атомов. Отсюда и получается размер атома: 1 см разделить на 10⁸ — это 10⁻¹⁰ м, то есть 0,1 нанометра.
Размер атома — порядка 10⁻¹⁰ м (0,1 нм). Молекулы крупнее: молекула воды около 0,3 нм, а сложные молекулы белков — единицы нанометров.
Это оценка, а не точное значение. У атома нет чёткой границы, как у бильярдного шара: электронная оболочка не обрывается резко. Поэтому говорят не «размер атома равен», а «размер атома порядка 10⁻¹⁰ м» — то есть верна степень десяти, а первая цифра может отличаться.
Сколько молекул в одной капле воды?
Возьмём самую обычную каплю — примерно 0,05 грамма. Попробуй угадать порядок числа молекул в ней, а потом проверь ползунком.
Считаем молекулы в каплеПолзунок степени
Каждый шаг ползунка — умножение на 10. Синяя заливка показывает, какую долю капли занимает выбранное количество молекул.
В одной небольшой капле воды около 1,7 · 10²¹ молекул. Это больше, чем песчинок на всех пляжах Земли.
Насколько это много?Логарифмическая шкала
Сравним число молекул в капле с другими огромными числами. Двигай ползунок по шкале — каждое деление это ещё один нолик.
Разница между 10⁹ и 10²¹ — это не «немного больше». Это в триллион раз больше. Наше воображение почти не умеет работать с такими числами, поэтому и нужна шкала со степенями.
Масса
Почему масса молекулы такая маленькая?
Не будем начинать с числа. Поставим на весы 18 граммов воды — это примерно столовая ложка. Масса небольшая, её легко почувствовать в руке. А теперь посмотрим, между каким количеством молекул эта масса делится.
Столовая ложка воды на весахСчитаем молекулы
Ползунок показывает, сколько молекул мы уже насчитали в этих 18 граммах. Дойди до конца.
В 18 граммах воды содержится примерно 6 · 10²³ молекул — это число называют постоянной Авогадро. Разделим 18 г на это число: масса одной молекулы воды получается около 3 · 10⁻²⁶ кг.
Вывод. Масса молекулы мала не «просто так». Она мала именно потому, что обычная, привычная нам масса делится между невообразимо большим количеством частиц.
Раздели кусочек сахара6 шагов
Дели сахар пополам снова и снова. Следи за подписью: на каком шаге вещество перестаёт быть сахаром?
Шаг 1 из 6
Главное. Пока мы дробим вещество на части, оно остаётся сахаром. Но у этого деления есть предел: одна молекула сахара — последняя частица, которая ещё сладкая. Разберём её на атомы — и получим углерод, водород и кислород, в которых ничего сладкого нет.
Все молекулы одинаково лёгкие?
Нет. Молекулы состоят из разного числа разных атомов, поэтому и массы у них разные — хотя все эти массы одинаково крошечные по нашим меркам.
Какая молекула тяжелее?Выбери одну
Перед тобой шесть молекул. Выбери самую тяжёлую — ту, у которой масса одной молекулы наибольшая.
Чем больше и тяжелее атомы в молекуле и чем их больше — тем тяжелее молекула. Поэтому углекислый газ CO₂ тяжелее воды H₂O, а водород H₂ — самый лёгкий из всех.
Положим молекулы на весыОчень точные весы
Перед тобой лабораторные весы с точностью до одного миллиграмма. Клади на них молекулы воды и следи за показанием.
Весы показывают ноль до тех пор, пока молекул не наберётся порядка 10²⁰. Отдельную молекулу никакие обычные весы взвесить не могут — её массу вычисляют, разделив массу большой порции вещества на число молекул в ней.
Собери молекулуНажимай на атомы
Выбери вещество и собери его молекулу из атомов. После сборки увидишь её массу, размер и один любопытный факт.
Не путай
Пять важных уточнений
Эти мысли кажутся очевидными, но чаще всего именно на них и спотыкаются. Нажми на карточку.
✕Раз атом имеет размер 10⁻¹⁰ м, значит вокруг него пустота
Как правильно. Размер атома говорит только о том, какое место он занимает. В твёрдом теле или жидкости атомы стоят вплотную, промежутки между ними меньше самих атомов. Пустоты «вокруг каждого атома» нет.
✕Атом можно разглядеть в хороший школьный микроскоп
Как правильно. Световой микроскоп не различает объекты мельче примерно 0,2 мкм — это в две тысячи раз крупнее атома. Изображения отдельных атомов получают специальными приборами, и это не фотография в привычном смысле, а карта, построенная прибором.
✕Если молекула больше, значит она и тяжелее
Как правильно. Размер и масса — разные характеристики. Обычно они связаны, но не всегда: молекула может быть крупной и «рыхлой», а может быть компактной, но собранной из тяжёлых атомов. Сравнивать нужно то, о чём спрашивают.
✕Атомы выглядят как цветные шарики
Как правильно. Цвет и чёткая граница у атома на рисунке — чистая условность. У настоящего атома нет ни цвета, ни резкой поверхности: электронная оболочка постепенно сходит на нет. Шарики нужны только для того, чтобы показать расположение и количество.
✕На школьных рисунках атомы нарисованы в правильном масштабе
Как правильно. Ни один рисунок в учебнике не соблюдает настоящий масштаб — иначе атом был бы невидимой точкой. Все схемы увеличены в миллиарды раз, и расстояния между частицами на них тоже условные.
Что здесь условно?Разбор школьного рисунка
Перед тобой типичная школьная картинка молекулы воды. Отметь всё, что на ней изображено условно, а не так, как в действительности.
Найдено условностей: 0 из 4.
Условная модель — это не ошибка. Она нужна, чтобы показать состав и расположение атомов. Ошибка появляется тогда, когда условную картинку принимают за фотографию.
Виртуальная лаборатория
Чем это можно увидеть?
Пять объектов разного размера. Для каждого определи, каким способом его вообще можно наблюдать.
Определи способ наблюдения5 объектов
У каждого объекта выбери один вариант. После ответа появится его настоящий размер и пояснение.
Определено объектов: 0 из 5.
Итоговая проверка
Десять заданий
Механики разные: сортировка, соединение пар, оценка порядка величины, поиск ошибки и объяснение наблюдений. После каждого ответа — разбор.
Задание 1Сортировка
Расставь объекты от самого крупного к самому мелкому.
Задание 2Соедини пары
Подбери каждому объекту его примерный размер.
Объект
Размер
Соединено пар: 0 из 4.
Задание 3Выбери масштаб
Сколько атомов уложится вплотную в ряд длиной 1 сантиметр?
Задание 4Найди ошибку
Ученик записал: «В капле воды примерно 10²¹ молекул, значит в двух каплях будет 10⁴² молекул». Где ошибка?
Задание 5Виртуальная линейка
Впиши порядок размера атома в метрах — в виде степени десяти, например «10^-6».
Задание 6Сравни размеры
Во сколько примерно раз толщина волоса больше размера атома?
Задание 7Оцени количество
Чего больше: молекул в одной капле воды или песчинок на всех пляжах Земли?
Задание 8Определи массу
Чему примерно равна масса одной молекулы воды?
Задание 9Верное утверждение
Как получают массу одной молекулы?
Задание 10Объясни наблюдение
Почему атом невозможно увидеть даже в самый лучший световой микроскоп?
Результат
Как ты понял тему
Размеры0/5
Количество частиц0/3
Масса частиц0/2
Ответь на задания — здесь появится разбор по направлениям.
Главное за урок. Размер атома — порядка 10⁻¹⁰ м, масса молекулы воды — около 3 · 10⁻²⁶ кг. Но запоминать стоит не сами числа, а ощущение: атом относится к человеку примерно так же, как песчинка к земному шару, а в одной капле воды молекул больше, чем песчинок на всех пляжах планеты.