Làm thế nào để đo một phân tử?

57

LÀM THẾ NÀO ĐỂ ĐO LƯỜNG MỘT PHÂN TỬ?
N. A. RODINA

Kiến thức cơ bản của chúng ta về phân tử có thể được diễn đạt bằng những từ rất đơn giản:

1. Tất cả các cơ thể đều được tạo thành từ các hạt nhỏ - nguyên tử và phân tử.
2. Các nguyên tử và phân tử ở trạng thái chuyển động liên tục. Chuyển động này là vĩnh viễn, không bao giờ dừng lại trong bất kỳ hoàn cảnh nào.
3. Các phân tử của tất cả các cơ thể tương tác với nhau. Trong các chất khác nhau, chúng tương tác khác nhau, tùy thuộc vào loại phân tử và khoảng cách giữa chúng.
   Ba điều khoản này được gọi là những điều khoản cơ bản của lý thuyết động học phân tử.
   Trong khoa học, có lẽ hiếm có lĩnh vực kiến ​​thức nào có lịch sử phát triển nhanh chóng và hiệu quả như kiến ​​thức về phân tử. Việc đề cập đến các hạt vật chất nhỏ nhất được tìm thấy trong các bản viết tay có niên đại từ thế kỷ 12 trước Công nguyên. Điều này có nghĩa là kiến ​​thức này đã được tạo ra trong suốt 32 thế kỷ, tức là 3200 năm! Nhiều nhà khoa học vĩ đại đã đóng góp công trình của họ vào việc tạo ra lý thuyết động học phân tử. Trong khoa học, cấu trúc của các phân tử và hành vi của chúng đã được nghiên cứu đầy đủ để thậm chí sắp xếp lại các phân tử và tạo ra các chất có đặc tính xác định trước. Hồng ngọc nhân tạo, cao su, nhựa, thuốc và vitamin đã được tạo ra. Trước đây, bạn có thể đã đọc về những khó khăn khi thêm những chất này ở dạng tự nhiên: hồng ngọc được thêm vào từ dưới lòng đất, cao su từ nhựa cây nhiệt đới, nhựa chưa hề được biết đến.

Vì vậy, các phân tử đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và chúng vẫn tiếp tục được nghiên cứu ở thời đại chúng ta. Hơn nữa, các hướng phát triển chính của vật lý hiện đại gắn liền với việc ứng dụng kiến ​​thức về cấu trúc của vật chất. Điều này cần được ghi nhớ bởi bất kỳ ai dự định học vật lý trong tương lai.

Câu chuyện của chúng ta về phân tử sẽ tập trung vào việc xác định kích thước của phân tử.

Bạn có thể tưởng tượng chúng tôi lớn thế nào không? Ví dụ, có thể chỉ ra bằng ngón tay của bạn ít nhất khoảng cách giữa các phân tử không khí, lớn hơn khoảng 10 lần so với đường kính của chính phân tử đó không?

Kích thước của các phân tử đã được xác định trong nhiều thí nghiệm. Hãy mô tả một trong số chúng; Thí nghiệm này đã được nhà khoa học người Anh Robert Rayleigh thử nghiệm khoảng 60 năm trước.

Một giọt dầu ô liu được đặt vào một chiếc bình lớn đã được rửa sạch chứa nước và đặt lên bề mặt của nó. Giọt nước lan rộng trên mặt nước và tạo thành một màng tròn. Dần dần diện tích của màng tăng lên, nhưng sau đó sự lan rộng dừng lại và diện tích ngừng thay đổi. Rayleigh đề xuất rằng các phân tử được sắp xếp thành một hàng, nghĩa là chỉ có màng có kích thước bằng một phân tử,

58

và quyết định xác định độ dày này.
Tất nhiên, trong trường hợp này, cần phải tính đến thể tích của màng bằng thể tích của giọt nước.

Sử dụng dữ liệu thu được trong thí nghiệm Rayleigh, chúng tôi tính toán độ dày của màng và tìm ra kích thước tuyến tính của phân tử dầu là bao nhiêu. Giọt nước có thể tích 0,0009 $cm^3$ và diện tích của màng hình thành từ nó bằng 5500 $cm^2$. Do đó độ dày màng
$$d = \frac{V}{S} = \frac{0,0009}{5500} cm = 0,00000016 cm.$$

Trong thí nghiệm của Rayleigh, thể tích của một giọt dầu được xác định bởi khối lượng của nó và mật độ của dầu. Khối lượng của giọt là 0,0008 $e$, mật độ dầu là 0,9 $e/cm^3$. Sử dụng những dữ liệu này, tính toán khối lượng của giọt.

Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng các phân tử của các chất khác nhau có kích thước khác nhau. Nhưng khi họ muốn ước tính đường kính của phân tử (nếu

hiểu rằng chúng có hình dạng quả bóng), nhận các giá trị 0,0000001 $cm^*$).

Có thể tưởng tượng một hạt cũng có kích thước không?

Hãy nhìn vào bức ảnh đầu của một con ruồi nhà thông thường được chụp ở độ phóng đại cao (Hình 1). Ở hai bên đầu bạn có thể nhìn thấy mắt của con ruồi; chúng bao gồm các yếu tố riêng lẻ, được gọi là các khía cạnh. Trong ảnh, mỗi mặt có đường kính khoảng 1 mm. Bây giờ hãy nhìn vào bức vẽ, trong đó moxa được mô tả với kích thước thật. Toàn bộ mắt của ruồi có đường kính chưa đến một milimet.

*) Có lẽ bạn đã nhận thấy kích thước của các phân tử được viết bằng số dài bao nhiêu. Ngắn gọn hơn, con số này có thể được viết như sau: $10^{-8}$ $cm$. Bạn sẽ học cách chuyển từ mục này sang mục khác nếu bạn đếm chữ số có nghĩa trong số 0,0000001 nằm sau dấu thập phân.

59

Bây giờ hãy thử tưởng tượng kích thước của từng khía cạnh của mắt. Vì vậy - phân tử vẫn nhỏ hơn một mặt như vậy khoảng 100.000 lần!

Tất nhiên, hạt như vậy không thể nhìn thấy được bằng mắt thường. Nhưng có lẽ nó có thể được nhìn thấy trong kính hiển vi? Độ phóng đại của kính hiển vi nên là bao nhiêu cho việc này?

Một giọt nước có đường kính 0,5 cm khi phóng đại 2000 lần sẽ có kích thước bằng một lớp học, nhưng ngay cả khi đó cũng không thể phân biệt được từng phân tử riêng lẻ trong đó. Ở độ phóng đại 2000x khác, giọt nước sẽ có tiết diện 20 km và cấu trúc “hạt” của nó bắt đầu hiện ra trước mắt chúng ta. Nhưng bạn cần tăng nó thêm 250 lần nữa để thấy được cấu trúc của phân tử nước, nhưng… không thể đạt được mức tăng như vậy (tổng cộng là 10⁹ lần).

Hiện nay, với sự trợ giúp của kính hiển vi đặc biệt (kính hiển vi điện tử), các bức ảnh được chụp trong đó có thể phân biệt được các phân tử riêng lẻ, nhưng chỉ những phân tử có kích thước lớn so với phân tử nước.

Trong bức ảnh (Hình 2), bạn thấy các phân tử protein có đường kính lớn hơn đường kính của nước khoảng 100 lần. Biết rằng bức ảnh được chụp ở độ phóng đại 73.000 lần, hãy thử ước tính đường kính gần đúng của phân tử protein.

Và cuối cùng, chúng tôi khuyên bạn nên tự mình tiếp tục thí nghiệm để xác định kích thước của các phân tử dầu. Tất nhiên, rất khó để lặp lại thí nghiệm Rayleigh, vì để làm được điều này, bạn cần phải có một loại dầu đặc biệt và thực hiện các phép đo chính xác. Nhưng dù sao hãy thử nó! Phần thưởng của bạn sẽ là bạn đã xác định được một giá trị có thể so sánh được với kích thước của các phân tử.

Thật thuận tiện khi sử dụng dầu máy sạch để thử nghiệm. Đầu tiên, xác định thể tích của một giọt dầu này. Hãy tự mình tìm ra cách thực hiện việc này bằng pipet (ka-