DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: ZESPÓŁ SZKÓŁ W KOŁCZYGŁOWACH ID grupy: 96/71_MP_G2 Kompetencja: MATEMATYKA – PRZYRODA Temat projektowy: BUDOWA CZĄSTECZKOWA MATERII Semestr/rok szkolny: II sem 2009/2010

Spis treści Ruchy Browna Budowa atomów Budowa materii i cząsteczki Cząsteczkowa budowa materii. Cząsteczki w trzech stanach skupienia Masy substancji Obserwacja Dyfuzji Dowód na to że cząsteczki są w ruchu Budowa geologiczna Ziemi Minerały Ziemi Ziemia Charakterystyka planety Jądro wewnętrzne i zewnętrzne Płaszcz ziemi Płaszcz górny Litosfera Powłoka oceaniczna

Ruchy Browna Ruchy Browna to chaotyczne ruchy cząstek w płynie (cieczy lub gazie), wywołane zderzeniami zawiesiny z cząsteczkami płynu. W 1827 roku brytyjski biolog Robert Brown obserwując przez mikroskop pyłki kwiatowe w zawiesinie wodnej dostrzegł, iż znajdują się one w nieustannym, chaotycznym ruchu. Ruchy Browna obserwuje się dla mikroskopijnych, mniejszych niż mikrometr, cząstek zawiesiny bez względu na ich rodzaj. Cząsteczki poruszają się ciągle a ich ruch niesłanie. Prędkość ruchu jest większa dla mniejszych cząstek i wyższej temperatury. Charakterystyką tego ruchu jest jego chaotyczność i nieprzewidywalność, co ilustruje ten obrazek:

Budowa atomów Każdy atom ma kształt kuli o promieniu ok. 10-7 m ( 0,1 nm. = 100 Pm). Największy atom posiada frans (87Fr). Jądro atomowe jest małe - 100 tyś. razy mniejsze od całego atomu, ale za to stanowi ok. 99,9% masy całego atomu. Liczba atomowa (Z) to liczba protonów w jądrze. Jednocześnie oznacza ona liczbę protonów, liczbę elektronów oraz informuje o ładunku elektrycznym jądra. Największą liczbę atomową wśród pierwiastków występujących na Ziemi ma uran (92U). Pierwiastki o jeszcze większych liczbach atomowych występują w gwiazdach, są to tzw. transuranowce. Składniki jądra czyli protony i neutrony nazywamy nukleonami. Między protonami działają siły odpychania elektrostatycznego. Jądro natomiast utrzymują w całości siły przyciągające tzw. siły jądrowe (oddziaływania silne). W miarę wzrostu liczby protonów trwałość jądra maleje. Izotopem nazywamy odmianę tego samego pierwiastka różniącą się liczbą neutronów. Izotopy mają takie same właściwości chemiczne, różnią się jednak nieznacznie właściwościami fizycznymi O właściwościach chemicznych bowiem decydują jedynie elektrony, o właściwościach fizycznych natomiast elektrony oraz jądro atomu. Np. izotopami wodoru są 1H - Prot i 2H - deuter - wodór ciężki (wodór naturalny stanowi zawiera 1 atom deuteru na ok. 6000 atomów portu). Ponadto istnieje jeszcze sztucznie wytworzony tryt - 3H. Pierwiastkiem chemicznym nazywamy zbiór atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze.

Naukowcy zajmujący się badaniem budowy materii i cząsteczki W starożytności  Nad tym, z czego zbudowany jest świat i co jest jego najmniejszą cząstką zastanawiali się już starożytni. Oto koncepcje niektórych filozofów: Tales z Miletu uważał, że początkiem wszystkiego jest woda Empedokles uważał, że cała materia składa się z 4 prostych substancji: ziemi, powietrza, wody i ognia Demokryt uznał, że wszystko składa się z atomów – małych niewidocznych cząstek, które są niepodzielne 2.Od Daltona po cząstki elementarne W 1803 r.  J.Dalton wysunął swoją teorię na temat budowy materii, w której m.in. twierdził, że: najmniejszą cząstką materii jest atom atomów nie można podzielić nie można zamienić jednego atomu w drugi wszystkie atomy jednego pierwiastka są jednakowe Jednak już w 1987 roku  J.Thomson obalił jeden z punktów teorii Daltona odkrywając pierwszą cząstkę elementarną – elektron. Stworzył on swój własny „rodzynkowy” model atomu, który wkrótce został uznany za nieprawidłowy. Kolejnym etapem obalającym teorię Daltona było doświadczenie Rutherforda, który w roku 1908 odkrył jądro atomowe bombardując cienką, złotą folię cząstkami alfa. W 1914 r. J.Chadwick odkrył kolejną cząstkę elementarną – pozbawiony ładunku neutron. Stwierdził on, że w skład jądra atomu musi wchodzić coś poza protonami, ponieważ masa atomowa każdego z pierwiastków (oprócz wodoru) jest około 2 razy większa od liczby ładunków. W 1947 roku w promieniowaniu kosmicznym odkryto nowy rodzaj cząstek - tzw. mezony, które są nośnikami oddziaływań jądrowych. Ilość cząstek uznawanych za elementarne stale wzrastała (neutrino, pozyton, itp.) i w końcu uczeni zwątpili, czy są one rzeczywiście elementarne.

Także Polscy naukowcy zajmowali się badaniem cząsteczek np. : Marian Smoluchowski (urodzony 28 maja 1872 w Vorderbrühl w Austrii - zmarł 5 września 1917 w Krakowie), wybitny polski fizyk. W latach 1890-1894 studiował fizykę na uniwersytecie w Wiedniu. W 1894-1895 odbył służbę wojskową, w 1895 obronił z wyróżnieniem pracę doktorską na tymże uniwersytecie. Przez kilka lat pracował w laboratoriach różnych ośrodków naukowych Europy (Sorbona, Glasgow, Berlin). W 1898 otrzymał prawo wykładania (tzw. veniam legend). W latach 1899-1912 pracował na Uniwersytecie Lwowskim, od 1900 jako profesor. Od 1912 profesor na Uniwersytecie Jagiellońskim, w katedrze fizyki doświadczalnej. Smoluchowski jest klasykiem fizyki statystycznej. Prawie równocześnie z Einsteinem sformułował teorię ruchów Browna. Jedno z równań teorii dyfuzji jest znane jako równanie Smoluchowskiego. Był też zapalonym taternikiem. Kilka miesięcy przed śmiercią wybrany rektorem UJ. Jego imię nosi Instytut Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Instytut Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu. Jerzy Pniewski (1913-1989), profesor Uniwersytetu Warszawskiego (od 1954). Fizyk eksperymentator w dziedzinie fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych. Współodkrywca (wraz z Marianem Danyszek) pierwszego hiperjądra (1952) i stanów izomerycznych hiperjąder (1962).

Cząsteczkowa budowa materii Panuje przekonanie, że przedstawiona liczba cząstek uważanych za elementarne jest zbyt duża. Dało to podstawy do przypuszczeń, że istnieją jeszcze bardziej podstawowe cegiełki materii - tak zwane kwarki.

Cząsteczki w trzech stanach skupienia Na rysunku 1 pokazane jest jak wyglądają cząsteczki w trzech stanach skupienia. Na rysunku 2 nazwy, symbole chemiczne i modele atomów wybranych pierwiastków

Modele cząsteczek

Masy substancji

Obserwacja Dyfuzji Dyfuzja jest to samorzutne przenikanie cząsteczek jednej fazy układu w głąb fazy drugiej, spowodowane bezładnym ruchem cieplnym, a także większych cząstek zawieszonych w płynach. Dyfuzja zachodzi w każdej temperaturze. Obserwujemy ją pomiędzy gazami, cieczami i ciałami stałymi.

Doświadczenia dowodzące o cząsteczkowej budowie materii Do szklanki wsypujemy groch i podobną objętość kaszy. Zaznacz górną poziom, a następnie wymieszaj wszystko. Co zaobserwowałeś? Groch i kasza wymieszały się tak że objętość mieszaniny jest mniejsza niż przed wymieszaniem. Dlaczego tak się stało? Ponieważ puste miejsca miedzy ziarnami Grochu zajęły ziarna kaszy. To doświadczenie tłumaczy wynik doświadczenia poprzedniego.

Dyfuzja jest to samorzutne przenikanie cząsteczek jednej fazy układu w głąb fazy drugiej, spowodowane bezładnym ruchem cieplnym, a także większych cząstek zawieszonych w płynach. Dyfuzja zachodzi w każdej temperaturze. Obserwujemy ją pomiędzy gazami, cieczami i ciałami stałymi. Szybkość dyfuzji wzrasta przy podwyższaniu temperatury. Jest ona przeciętnie o kilka rzędów wielkości większa w przypadku gazów, a z kolei o kilka rzędów wielkości mniejsza w przypadku ciał stałych w porównaniu z szybkością dyfuzji w cieczach. Przenikanie cząsteczek lub cząstek może być: jednokierunkowe (dyfuzja jednokierunkowa), dwukierunkowe (dyfuzja dwukierunkowa).

Dowód na to że cząsteczki są w ruchu Atomy są bardzo małe. Nawet przy użyciu bardzo silnego mikroskopu optycznego nie może być mowy o ich zobaczeniu. Dowody na ich istnienie musiały więc polegać na obserwowaniu zjawisk, które można było zinterpretować za pomocą teorii atomistycznej. Już w 1827 roku pewien angielski botanik o imieniu Robert Brown zaobserwował zjawisko, które na początku XX wieku zostało uznane za jeden z najmocniejszych dowodów na istnienie atomów. Brown oglądał pod mikroskopem drobniutkie pyłki roślin. Pyłki te zawieszone były w wodzie.

Budowa geologiczna Ziemi Budowa geologiczna – budowa geologiczna Ziemi jest wynikiem procesów zachodzących w skorupie ziemskiej. Stanowi element epigeosfery, wypadkową zespołu czynników, to jest: litologii, cech strukturalno-teksturalnych oraz tektoniki. Na budowę geologiczną składa się rodzaj skał, ich wiek, wzajemne położenie w skorupie ziemskiej. Podstawowym źródłem informacji o budowie geologicznej są: badania geofizyczne naturalne odsłonięcia warstw skalnych - skarpy, osuwiska sztuczne odsłonięcia - odkrywki i wyrobiska w kopalniach 16

Minerały Ziemi Minerały - naturalne składniki budujące skorupę ziemską, mają określony skład chemiczny, jednorodną strukturę oraz wyodrębnione właściwości fizyczne i chemiczne. Minerały występujące w Ziemi -kwarc -kalcyt -dolomity

Ziemia Średnia odległość od Słońca: 150 000 000 km Średnica: 12 756 km Ziemia jest trzecią według oddalenia od Słońca planetą Układu Słonecznego. Jest ona największa ze wszystkich planet wewnętrznych.

Charakterystyka planety Średnica planety wynosi 12756 km, a więc promień równikowy ma 6378 km i jest on dłuższy od promienia biegunowego, co jest spowodowane ruchem wirowym planety. Równik Ziemi, czyli najdłuższy równoleżnik (obwód) ma 40070km. Masa planety wynosi 6x10 27g i stanowi 2 milionowe części masy Słońca. Ziemia krąży w średniej odległości 150mln km od Słońca po orbicie w kształcie elipsy. W trakcie ruchu obiegowego oś ziemska nachylona jest do płaszczyzny orbity pod kątem 66*33`. Czas, jaki zajmuje Ziemi okrążenie Słońca wynosi 365,2564 dnia, natomiast jeden pełny obrót wokół własnej osi planeta robi w czasie 23h56min4,09s. Atmosfera Ziemi składa się głównie z azotu (78%) i tlenu (2%) z domieszkami niewielkich ilości gazów szlachetnych, dwutlenku węgla i wodoru.

Budowa geologiczna Ziemi  Jądro ziemi- 6370 km – 2900 km ; Poniżej nieciągłości Gutenberga, nie przewodzącej fal sejsmicznych (poprzecznych). Wnioskuje się  stąd, że jądro zewnętrzne znajduje się w stanie ciekłym. Poniżej 5100 km obserwuje się pewien wzrost prędkości fal podłużnych, stąd przypuszcza się, że leżące głębiej jądro wewnętrzne wskutek szybkiego przyrostu ciśnienia jest w stanie stałym. Składa się ono z żelazo (44,8%) oraz tlen (24,4%) w sumie razem 69,2%. Dalsze miejsca zajmują: krzem 12,1 %, magnez 9,4%, nikiel 4,0%, siarka 1,4%, glin, wapń oraz pozostałe 1,7%.  

Jądro wewnętrzne i zewnętrzne · Temp. – kilka tysięcy  Oc. ·Ciśnienie – kilkaset tysięcy Pam. · Skład  - Fe, Ni, S, Si, O2 , K – piryt, podtlenki Fe 5100 km – strefa przejściowa   Jądro zewnętrzne - Stan ciekły - Ruchy konwekcyjne – różnica ciśnień między płaszczem a jądrem; dostarczenie materiału z płaszcza. Ruchy konwekcyjne są źródłem magnetyzmu Ziemi. 2900 km- strefa Gutenberga 

Płaszcz ziemi Mezosfera + astenosfera + najniższa warstwa litosfery; Płaszcz dolny Mezosfera Ww. Ziemi leżąca pomiędzy astenosferą i barysferą (jądrem Ziemi), a więc od około 350 do 2900 km. Odznacza się ciągłym, choć niejednostajnym, wzrostem prędkości fal sejsmicznych z głębokością, wzrostem gęstości i temp (2000- 3000 Oc.). W skutek wielkiego ciśnienia materiał skalny jest w stanie stałym. lity temp. – ok. 2000- 3000 Oc. ciśnienie – bardzo wysokie

Płaszcz górny Astenosfera Warstwa o obniżonej prędkości. Odznacza się znacznie większą plastycznością (co się przejawia spadkiem prędkości fal sejsmicznych, niż nadległa litosfera i leżąca niżej mezosfera. Takie właściwości  astenosfery przypisuje się częściowemu stopieniu skał w jej obrębie – rodzeniu się magmy. Granice astenosfery przypadają na różnych głębokościach (10-100 km górna; ok. 350 km dolna. 10 % przechodzi w fazę ciekłą; Stanowi smar ułatwiający poruszanie się po niej litosfery. Fikcyjna skała pyro lit- mieszanina bazaltów i perydotytu   Powyżej najniższa warstwa  litosfery - perydotytowa (perydotyt granatonośny, dunit, eklogity). Powierzchnia Mohorovicica- MOHO Wyznaczona przez skokowy wzrost prędkości fal sejsmicznych i wzrost gęstości skał. 

Litosfera Sztywna i krucha w stosunku do astenosfery nad którą się znajduje. Złożona z typowych skał, nie różniących się istotnie od znanych na powierzchni. Lokalnie zjawiska magmowe i zjawiska wulkaniczne. Sięga w głąb od 10 do 100 km. Obejmuje skorupę ziemską i warstwę  perydotytową, zaliczaną do górnego płaszcza.

   Powłoka oceaniczna Podział litosfery ziemskiej na płyty zbudowane ze skorupy kontynentalnej, oceanicznej lub obu jej typów

Powłoka kontynentalna Skały kwaśne i zasadowe; Mniejsza gęstość; bardziej miąższe; 1) warstwa osadowa; miąższość do kilkunastu km; 2) warstwa granitowa; miąższość do ok. 30 km; 3) warstwa bazaltowa Suboceaniczna- przejściowa Duża grubość warstwy osadowej.