If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание
Текущ час:0:00Обща продължителност:21:05

Видео транскрипция

При повечето предмети първо доста трябва да се напредне, преди да може да се говори за интересни от философска гледна точка теми. Но химията започва още в началото с вероятно най-интересната философска част от целия предмет – атомът. Можеш да разгледаш идеята за атома при различните древни философи, които първи са разсъждавали върху това. Те са си казали: Ако взема една ябълка и започна да я режа на части... Нека я нарисувам по-хубаво, за да не прилича на сърце. Имаш една хубава ябълка. И я режеш на все по-малки и по-малки парчета. Накрая стигаш до толкова мъничко парче, че не можеш да го режеш повече. Сигурен съм, че някои от тези философи са взели нож, опитали са се да го направят и са си мислели: "Ако можех да си наостря още ножа, бих могъл да продължавам да режа". И тази напълно философска идея откровено казано не е чак толкова различна от това как разглеждаме атома в днешно време. Наистина е просто мислена абстракция, която ни позволява да опишем много от наблюденията си във Вселената. Философите са си казали: "В определен момент мислим, че ще достигнем до толкова малка част от ябълката, която няма да може да се дели повече". И са нарекли това "атом". И са казали, че това не се отнася само до ябълката, а за всяко вещество или елемент във Вселената. Думата атом всъщност означава "неделим" на гръцки. Неделим, който не може да бъде разделен. Неделим. Вече знаем, че всъщност атомът е делим и че не е най-малката форма на материя, която познаваме. Вече знаем, че атомът е съставен от други по-основни частици. Нека напиша това. Така, имаме неутрон. След секунда ще нарисувам как всичките си пасват заедно, както и структурата на един атом. Имаме неутрон. Имаме протон. Имаме и електрони. Електрони. Това може вече да ти е познато, ако погледнеш стари видеоуроци с модели на атома, ще видиш рисунка, която изглежда нещо като това. Нека се пробвам да го нарисувам. Имаме нещо като това. Имаме и тези неща, които се въртят наоколо и изглеждат по този начин. Те имат орбити, които изглеждат така. И може би нещо, което изглежда така. Основната представа при този тип илюстрации на атомното ядро, и съм сигурен, че все още съществуват в някои правителствени лаборатории към министерството на отбраната, е, че има ядро в центъра на атома. Има ядро в центъра на атома. И знаем, че ядрото има неутрони и протони. Неутрони и протони. Ще говорим и малко повече за това колко неутрони и протони имат различните елементи. И движението по орбити... Сега използвам думата орбита, макар че след около 2 минути ще научим, че думата орбита всъщност е неправилният и дори концептуално неправилният начин да си представим движението на електрона., Но старата представа е била, че имаш тези електрони, които са в орбита около ядрото много подобно на начина, по който Земята обикаля около Слънцето или Луната обикаля около Земята. И е доказвано, че това всъщност е много грешна представа. И когато стигнем до квантовата механика, ще научим защо това не работи, какви са противоречията, които се проявяват, когато се опиташ да представиш електрона като планета, обикаляща около Слънцето. Но това е първоначалната идея и мисля, че тази представа е най-популярното схващане за изгледа на атома. Казах, че атомът е интересен от философска гледна точка. Защо е така? Защото това, което сега е приетото виждане за атома, наистина започва да размива границата между нашата физическа реалност, всичко на света е просто информация, всъщност няма такова нещо като истинска материя или истински частици по начина, по който ги определяме в ежедневието. За мен една частица изглежда като зрънце пясък. Мога да го взема и докосна. Докато една вълна може да бъде звукова вълна или просто промяната в енергията с времето. Особено когато учим квантова механика, ще научим, че всичко се разбърква, когато започнем да наближаваме мащабите, или размера, на атома. Както и да е, аз казах, че това е неправилната представа. Коя е правилната? Ето една снимка, или по-точно, едно изображение на атом. Това, което току-що казах, повдига интересен въпрос. Как може да снимаш един атом? Защото се оказва, че повечето дължини на светлинните вълни особено тези на видимата светлина, са много по-големи от размера на един атом. Всичко, което "наблюдаваме" в живота, е чрез отразена светлина. Но изведнъж, когато става дума за атома, отразената светлина може да се окаже твърде голям, твърде груб инструмент, чрез който да наблюдаваме атома. И така, това е изображение на атом хелий. Един атом хелий има два протона и два неутрона. Или поне този атом хелий има два протона и два неутрона. Ядрото е показано увеличено ето тук. Предполагам, че червеното е за протон, а лилавото за неутрон. Лилавото изглежда като по-неутрален цвят. И те са разположени в центъра на този атом. А тази цялата мъгла около тях са двата електрона, които хелият има, или поне този конкретен атом хелий има. Може да получи или отдаде един електрон. Сигурно се чудиш как може тези два електрона да са тази мъгла, която е някак си размазана около този атом? И ето тук става интересно от философска гледна точка. Не може да опишеш пътя на електрона около едно ядро с традиционната идея за орбита, която сме срещали, когато погледнем планетите, или ако просто си представим нещата в някак по-голям мащаб. Оказва се, че няма как да знаеш с точност скоростта и положението на електрона, в който и да е момент от времето. Знаеш само разпределението на вероятността на това къде вероятно се намира. Виж как са изобразили това: черното показва по-висока вероятност, така че е много по-вероятно да намериш електрона тук, отколкото там. Но той може да е навсякъде. Може дори да е тук, макар да е напълно бяло, като вероятността за това е много, много малка. Функцията за това къде се намира електронът, се нарича орбитала. Орбитала. Да не се бърка с орбита. Орбитала. Спомни си, орбитата е нещо такова. Тя е като Венера, обикаляща около Слънцето. Затова е физически лесно да си го представим. Междувременно орбиталата е математическа вероятностна функция, която ни казва къде вероятно ще намерим електрона. Ще се занимаваме много повече с това, при квантовата механика, което няма да е в обхвата на тази уводна серия лекции по химия. Но е интересно, нали? Поведението на електрона е толкова странно при този мащаб... Всъщност да го наречеш частица, е почти подвеждащо, Нарича се частица, но не е частица в смисъла, който сме свикнали да използваме в ежедневието. Той е това нещо, което не може дори да кажеш къде точно се намира. Може да е навсякъде в тази мъгла. Ще научим по-късно, че има различни форми на тези мъгли, като добавяме повече и повече електрони към атома. Но за мен това започва да се отнася към философските проблеми за това какво изобщо е материята или колко са истински нещата, които гледаме? Или колко са истински, поне доколкото сме дефинирали реалността? Но да не те натоварвам с твърде много философия. Цялата представа за електроните и протоните е основана на представата за заряд. Говорили сме за това преди, когато учихме закона на Кулон. Може да разгледаш видеата за закона на Кулон в плейлиста по физика. Но идеята е, че електронът има отрицателен заряд. Протонът, понякога се означава така, има положителен заряд. А неутронът няма заряд. И ето това е примамливото на първоначалния модел на електрона. Това нещо има положителни заряди, нали така? Да кажем, че е атом хелий с два неутрона и два протона. Тогава ще имаме няколко положителни заряда тук. Ще имаме няколко отрицателни заряда там навън. Противоположните заряди се привличат. И ако тези неща имаха достатъчно скорост, те биха обикаляли около ядрото точно по начина, по който планетите обикалят около Слънцето. И макар и това да е вярно до някаква степен, сега научаваме, че колкото по-далеч е електронът от ядрото, толкова повече потенциална енергия има. Той ще иска да се движи към ядрото, но поради всичките механизми на квантово ниво, няма да направи нещо просто, като да се движи по път като този, както комета би се движила около Слънцето. Електронът всъщност има вълноподобно поведение и съществува вероятностна функция, която го описва. Но колкото по-далеч е орбиталата, толкова повече потенциал има. Ще се задълбочим много повече относно това в бъдещи видеа. Но как можеш да разпознаеш елемента? Говорих много за философията, но как знам, че това е хелий? Дали е по броя на неутроните, които има? Дали е по броя на протоните, които има? Дали е по броя на електроните? Отговорът е, че е по броя на протоните. Ако знаеш броя на протоните в елемента, ти знаеш кой е този елемент. А броят на протоните се изразява чрез атомния номер. Да кажем, че ти казвам, че нещо има четири протона. Как знаем какво е то? Ако не сме го научили наизуст, може да го потърсим в периодичната таблица на елементите, с която ще се занимаваме много в тази серия уроци. И ще си кажеш: "О, 4 протона, това е берилий". Точно там. А атомният номер е числото, което виждаш там горе. И това буквално е броят на протоните. Това е нещото, което разграничава един елемент от друг. Ако имаш 15 протона, тогава това е фосфор. А ако имаш 7 протона, тогава това е азот. Ако имаш 8, тогава това е кислород. Това е нещото, което определя елемента. В бъдеще ще говорим какво се случва със заряда, какво се случва, когато получаваш или отдаваш електрони. Но това не променя кой е елементът. И по същия начин, когато промениш броя на неутроните, това също не променя кой е елементът. Но това води до очевиден въпрос – колко неутрона и електрона имаме всъщност? Ако атомът е електронеутрален, това означава, че има колкото протони, толкова електрони. Нека кажем, че имам въглерод. Неговият атомен номер е 6. И нека кажем, че неговото масово число е 12. Какво означава това? Също да спомена, че това е неутрална частица. Това е неутрален атом. Значи, атомният номер на въглерода е 6. Това ни казва точно колко протона има. Ще нарисувам един малък модел тук и това не е точен модел. Ще нарисувам шест протона в центъра: един, два, три, четири, пет, шест. Всеки един протон е една атомна единица за маса, ще говорим повече за това как тя се отнася към килограмите. Тя е много малка част от килограма. Мисля, че е грубо около 1,6 по 10 на минус 27-а степен от килограма. Нека кажем, че всяка една от тези е една атомна единица за маса. Това е приблизително равно на 1,67 по 10 на минус 27-ма степен килограма. Това е много малко число. Всъщност е почти невъзможно да си го представиш. Поне е така за мен. Това ми показва масата на целия атом въглерод, на този конкретен атом въглерод. А това всъщност може да варира между различните въглеродни атоми. Това е масата на всичките протони плюс всичките неутрони. Всеки един протон има атомна маса едно, в атомни единици за маса, и всеки неутрон има атомна маса равна на една атомна единица за маса. Това всъщност е броят на протоните плюс броя на неутроните. В този случай имаме шест протона, значи трябва да имаме и шест неутрона. Шест неутрона плюс шест протона. А къде са електроните? Споменах, че е неутрален. Протонът има еднакъв положителен заряд с отрицателния на електрона. Това е неутрален атом с 6 протона, затова има и 6 електрона. Нека го нарисувам. Казахме, че има 6 неутрона тук вътре. Един, два, три, четири, пет, шест. Това тук е ядрото. И сега ако нарисуваме електроните – бих могъл да ги нарисувам като петно, но ако искаме някак да си го представим по-добре ще нарисуваме 6 електрона в орбита. Един, два, три, четири, пет, шест. И те ще се движат наоколо по този непредвидим начин, който би трябвало да опишем с вероятностна функция. Най-интересното нещо за това е, че по-голямата част от масата на атома е в ядрото. Може да забележиш, че когато хората се интересуват от масата, гледат атомното масово число и пренебрегват електроните. Това е така, защото масата на един протон е равна на масата на 1836 електрона. Поради това, мислейки за масата на атома, в повечето общи случаи може да пренебрегнем масата на електрона. Реално масата на ядрото е това, което се счита за масата на атома. Виждаш тази периодична таблица тук и сигурно си казваш: "Добре, имаме атомния номер там горе. Атомният номер на кислорода е 8. Това означава, че има 8 протона. Атомният номер на силиция е 14. Той има 14 протона. А какво е това тук?" Нека да разгледаме въглерода. Тук имаме това 12,0107. Това е атомната маса на въглерода. Нека го запиша. Атомна маса на въглерод. Атомната му маса е 12,0107. Какво означава това? Означава ли, че въглеродът има 6 протона, а след като остават 6,0107 неутрона, значи ли че имат част от един неутрон? Не. Означава, че ако осредниш всички различни варианти на въглерода, които може да намериш на планетата, и ако осредниш броя на протоните въз основа количеството на различните видове въглерод, това ще е средната стойност, която ще получиш. Оказва се, че въглеродът има две основни форми, най-често се среща въглерод-12. А тя изглежда така. Има шест протона и шест неутрона. И сега друг изотоп на въглерода. Изотоп е същият елемент, но с различен брой неутрони. Друг изотоп на въглерода е въглерод-14, който е много по-оскъден на планетата. Не знаем дали е така във Вселената, но е така на планетата. Ако осредниш тези, но не направо да ги осредниш, защото тогава би се получил въглерод-13 и тогава атомната маса би била 13, но да сложиш по-голяма тежест на този, защото съществува в много по-големи количества на Земята. Това като цяло е всичкият въглерод, който срещаме. Но има и малко от този. И ако измериш всичкия въглерод, това ще е средната стойност. Така че ако просто намериш въглерод някъде, средно неговата маса в атомни единици за маса ще бъде 12,0107. Но самата идея за изотоп е интересна. Спомни си, когато промениш неутроните, не променяш основния елемент. Ти просто получаваш различен изотоп, различен вариант на елемента. И двата варианта на въглерода тук са изотопи. Искам да приключа това видео с това, което за мен е най-интересната идея за атомите; най-интересните неща за тях от философска гледна точка. Имаме тези електрони, които представляват много малка част от масата на атома. Те са 1/2000 от масата на атома. И като цяло е трудно да ги опишем като частици, защото не можеш дори да ми кажеш къде са и колко бързо се движат. Те просто имат вероятностна функция. По-голямата част от атома е вътре в ядрото. И това е интересното нещо. Ако погледнеш един атом, да кажем, че това е моят атом. Нека имам два атома, свързани един с друг. И аз те попитам колко от това всъщност е нещо. И когато казвам "нещо", това е доста абстрактно понятие, защото говорим за ядрото, нали? Защото в ядрото е всичката маса, всичкото нещо. Оказва се, че ядрото всъщност е безкрайно малка част от обема на атома, а той е труден за дефиниране, защото електронът може да е навсякъде, но ако разглеждаш обема от гледна точка на това къде е най-вероятно, или има 90% вероятност да намериш електрона, тогава ядрото е, в повечето случаи и по начина, по който аз го мисля, около 1/10 000 от обема. Замисли се, когато погледнеш нещо, например ръката си, стената, или компютъра, 99,99% от това е свободно пространство. То е нищо. Вакуум. Ако имаше ултра малки – предполагам бихме могли да ги наречем частици, повечето от тях биха преминали директно през каквото и да гледаш. Това започва някак си да разклаща идеята ни за реалност. Какво има изобщо? И е факт, а не теория, че ако разглобиш каквото и да било до градивните елементи, до атомното ниво, повечето от пространството на "обекта" е празно, вакуумно пространство. Ще минеш директно през него, ако можеше да се смалиш до този мащаб. Казват, че това тук от изображението на хелия е 1 фемтометър Един фемтометър. Толкова голямо е ядрото на атом хелий. Един фемтометър. Това тук е един ангстрьом. Казват, че е равен на 100 000 фемтометра. И за да получим усет за мащаба, 1 агнстрьом е 1 по 10 на минус 10-а метра. Така че атомът е грубо с размер един ангстрьом. В случая на хелия, ядрото е още по-малка част. То е 1/100 000. Да кажем, че гледаш течен хелий, за което трябва да го охладиш много, по-голямата му част ще е свободно пространство. Ако гледаш желязно кюлче, голяма, голяма, голяма, част от него е свободно пространство. И дори не говорим за това дали има свободно пространство в ядрото, за което може да говорим в бъдеще. Но за мен просто е невероятно, че повечето неща, които гледаме не са всъщност плътни. Те са просто свободно пространство, но изглеждат плътни, поради начина, по който светлината се отразява от тях или силите, които ни отблъскват. Но всъщност там няма нещо, което да докоснеш. Повечето от това тук е свободно пространство. Мисля, че вече казах свободно пространство няколко пъти, така че ще оставя по-нататъшни невероятни неща за следващото видео.
Кан Академия – на български благодарение на сдружение "Образование без раници".