Cursul nr

Structura materiei

STRUCTURA MATERIEITot ceea ce exist n univers se numete materie. Fenomenele din univers la scar microscopic i macroscopic , reprezint forme de micare ale materiei: mecanic, termic, electromagnetic, chimic, biologic etc.La nivelul actual al cunoaterii, se tie c materia este infinit, inepuizabil i se manifest sub dou forme: Materia substan

Materia cmp

ntreaga natur nconjurtoare, de la galaxii la stele, pn la roci, animale, oameni, totul este format din molecule i atomi, aranjate organizat formnd diferite corpuri, dintre care unele lipsite de via, iar altele vii.La rndul su substana are dou nivele de organizare:

Organizarea substanei inerte

Organizarea substanei vii

Materia manifest structur dual, adic cele dou forme de organizare sunt indispensabile vieii , inseparabile, i de aceea se spune c, materia reprezint dualitatea dintre substan i cmp. Att cmpul ct i substana, inert sau vie, manifest structur discret (corpuscular), la scar microscopic i structur continu la scar macroscopic.Treptele organizrii materiei1. Particule fundamentale (particulare):

protoni

neutroni

electroni

2. Elemente chimice: C, H,O,N,S,P,etc.

3. Structuri chimice: molecule organice, ioni i molecule minerale

4. Structuri chimice complexe: macromolecule, sistem coloidal complex5. Structuri leptonice-submicroscopice(citoplasma)

6. Structuri subcelulare (organite celulare, structuri funcionale)

7. Structuri celulare celula

8. Structuri supracelulare (esuturi, organe, sisteme)

Adic: ORGANISM1. STRUCTURA SUBSTANEI INERTE1.1 Particule elementareStructura particulelor intereseaz i pe biologi, i asta datorit faptului c este extrem de important explicarea diferitelor reacii biochimice de oxidare i reducere, de pozitivare sau negativare i a interaciunii acestora cu substana (mezonii utilizai n tratarea tumorilor).Substana are structur discontinu (Democrit), adic este format din particule indivizibile numite atomi.Atomul era considerat atunci particul elementar(se consider particul elementar acea particul care la nivelul respectiv de cunoatere pare a fi indivizibil, adic pare a nu fi format din entiti mai mici, a nu avea structur intern).La nceputul secolului al XIX-lea, s-a descoperit c atomul nu este particul elementar, c are structur intern (Rutherford), fiind format din dou tipuri de particule, presupuse elementare, atunci:

Nucleu (mas mare, sarcin pozitiv aflat n centrul atomului)

Electron (mas foarte mic comparativ cu a nucleului, sarcina negativ)

Valoarea absolut a sarcinii electronului este de 1,6 10-19C, i se numete sarcin electric elementar, sau cuant de sarcin electricS-a constatat de asemenea , c atomul este neutru din punct de vedere electric, ceea ce nseamn c suma sarcinilor negative ale tuturor electronilor dintr-un atom este egal cu suma sarcinilor pozitive(prin compensare).Atomul cel mai simplu, are un singur electron i se numete hidrogen. Neutralitatea lui arat c sarcina nucleului hidrogenului este egal i de sens contrar cu sarcina electronului, deci este ,+e.S-a dovedit c masa nucleului hidrogenului ar fi de aproximativ de 1840 ori, mai mare dect masa electronului( e-). Msurndu-se masele altor atomi, i ordonnd atomii n ordinea creterii masei lor, s-a constatat c masele acestora sunt cu aproximativ egale cu multipli ntregi ai masei atomului de H.Coroborat cu faptul c i sarcina nucleelor este egal cu multiplu ntreg a sarcinii nucleului de hidrogen, s-a emis ipoteza c nucleul atomic nu este o particul elementar , i c este format din nuclee de hidrogen.Dar aceast ipotez , nu s-a putut accepta, deoarece masa atomilor crete mai repede dect sarcina lor. S-a emis ipoteza c nucleele sunt constituite din dou tipuri de particule elementare numite nucleoni, (au masele aproximativ egale). Nucleonul pozitiv, identic cu nucleul atomului de hidrogen, s-a numit proton.Cellalt nucleon, neutru electric (nu are sarcin electric), se numete neutron.Aceast ipotez s-a acceptat definitiv n 1932, odat cu descoperirea neutronului (Chandwich) ca parte component a nucleelor atomice.Cu toate c s-a acceptat ipoteza structurii substanei, explicat mai sus, experiene serioase efectuate pe parcursul mai multor decenii au pus n eviden existena n nucleu (dar nu i n stare liber) a unor particule elementare numite quarci. Dar, deoarece pn n prezent nu a fost demonstrat existena quarcilor n stare liber, n explicarea fenomenelor vom considera c protonul i neutronul sunt particule elementare.n prezent se cunosc peste 100 particule elementare (incluznd i antiparticulele corespunztoare lor) dar nu toate se gsesc n stare liber, nu toate sunt stabile n timp. (dispar dup un timp de via extrem de scurt).Particulele elementare se disting prin proprieti intrinseci care le difereniaz (mas, sarcin electric, spin, timp de via) pe care dac nu le-ar avea , nu ar fi ceea ce sunt.Lum n considerare , pentru nelegerea fenomenelor descrise, doar 4 particule elementare: Electronul (e-)

Protonul (1p)

Neutronul (on)

Fotonul ()

Proprietile acestora:

ParticulaMasa de repaus(kg)Sarcina(C)Spinul()Timp de via(s)

e-9,1 10-31-1,6 10-19

P+1,672 10-27+1,6 10-19

no1,674 10-270 918

001

Proprietile particulelor elementare determin existena, n natur, a patru tipuri de interaciuni fundamentale:

Interaciunea nuclear (tare) aleas ca referin

Interaciunea electromagnetic

Interaciunea slab

Interaciunea gravitaional

Dintre acestea, interaciunea electromagnetic are rol important n realizarea i funcionarea structurilor proprii substanei vii.

Electronul este un lepton a crui mas de repaus este foarte mic.

1.2 Nucleul atomicNucleul atomic este cea mai mic entitate (edificiu) format din dou tipuri de particule elementare protoni

neutroniFig.1. Nucleu de Li

- protoni

- neutroni

Protonul i neutronul sunt cele dou stri de sarcin ale nucleonului. Numrul de protoni din nucleu (Z),coincide cu numrul atomic al elementului chimic n tabelul periodic al elementelor i cu numrul sarcinilor elementare ale nucleului. De aceea:Z- se numete numr atomic sau numr de sarcin.N- se numete numr de neutroni din nucleu - numr neutronic.A=Z+N (1)A- se numete numr de mas(numrul nucleonilor din nucleu)Aceast denumire este justificat de faptul c masa oricrui nucleu este, practic, egal cu suma maselor nucleonilor si.Simbolul care exprim nucleul (X) , XAZEx. Li Z=3 (poziia 3 n sistemul periodic)

N=4 (numrul de neutroni)

A=7 (numr de mas)

a) Dac A- difer, Z- este acelai atomii se numesc izotopiex. H, H, Heste vorba de :

nucleu de hidrogen

deuteriu

tritiu

b) Dac N- este acelai , A- diferit atomii se numesc izotoniex: 17 37Cl , 18 38ArPresupunnd c nucleul este sferic , raza sa depinde de masa atomic prin relaia:

R=RoA unde Ro=(1,3 10-15-1,510-15)m.Rezult c densitatea substanei nucleare, este: =1018 kg/m3, densitate care este enorm n comparaie cu densitatea corpurilor macroscopice.( =103 kg/m3)Nucleele se caracterizeaz printr-un moment cinetic de spin(), numit spin nuclear.Spinul nuclear se obine nsumnd vectorial momentele de spin ale nucleonilor, egale cu :

Ca unitate de msur a momentului de spin (i de orbital) s-a adoptat =h/2, unde

h=6,62 10-34j.s, i este constanta lui Planck.Spinul nucleelor cu numr par de nucleoni, este un numr ntreg sau zero, i cel al nucleelor cu numr impar de nucleoni este semintreg.Stabilitatea nucleelor atomice nu poate fi explicat cu ajutorul interaciunilor electromagnetice dintre nucleoni.

Se tie c sarcinile electrice de acelai semn se resping iar cele de semn opus se atrag.

Ca urmare, forele de respingere dintre protoni ar trebui s duc la dezmembrarea nucleului.

Ca urmare stabilitatea nucleelor atomice poate fi explicat cu ajutorul interaciunilor nucleare (interaciuni ntre nucleoni).1.3 Atomul

Atomul este cel mai mic sistem fizic n constituia cruia exist electroni. Este format dintr-un nucleu n jurul cruia graviteaz un nor de Z electroni aflai la distan foarte mare de nucleu comparativ cu dimensiunea nucleului.

Atom de litiuprotoneneutronelectron

Dimensiunea liniar a norului electronic dimensiunea atomului este de ordinul a10-10m. Sarcina negativ a tuturor electronilor atomului, - Ze, compenseaz exact sarcina pozitiv +Ze, a nucleului atomului respectiv. Rezult c atomul este neutru din punct de vedere electric.

Au fost descoperii aproximativ 100 de atomi(elemente) diferii.Practic, ntreaga mas a atomului este concentrat n nucleu, a crui mas este mai mare de aproximativ 2000 de ori dect a unui electron.

Atomul este un sistem cuantic. Aceasta nseamn c atomul nu poate fi descris corect aplicnd legile mecanicii clasice. Pentru descrierea corect a proprietilor atomului trebuie aplicate legile i teoriile, metodele fizicii cuantice. La baza teoriei cuantice se afl rezultatele a numeroase experiene n urma crora s-a stabilit c:

n interaciunea cu substana, lumina manifest caracter de und (la mari), i un caracter de particul (la mici). Particula elementar de lumin este fotonul. Energia fotonului =h ( cuanta de energie luminoas), unde : h- constanta lui Planck

frecvena

Electronul (la fel ca toate microparticulele) manifest caracteristici de particul (corpuscul), n unele fenomene i caracteristici de und. Lungimea de und () asociat electronului (caracteristica sa ondulatorie), este legat de impulsul su (p) (caracteristica corpuscular), prin relaia =h/p.

Atomul se poate gsi n stri energetice staionare diferite, n care nu emite i nu absoarbe energie. Atomul absoarbe i emite energie doar cnd trece dintr-o stare staionar n alta. La trecerea atomului din starea staionar cu energia En, n starea staionar cu energia Em, acesta emite fotoni cu energia :

1. hnm= En,- Em, dac En,> Em,Sau absoarbe foton cu energia:

2. hmn= Em,- En, dac En,