มาตราส่วนด้วยกล้องจุลทรรศน์: คุณสมบัติการนับอนุภาคตัวอย่าง - กายภาพ - 2026

เครื่องชั่งขนาดเล็กเป็นเครื่องที่ใช้วัดขนาดและความยาวที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าและมีความยาวต่ำกว่ามิลลิเมตร จากสูงสุดไปต่ำสุดเครื่องชั่งขนาดเล็กในระบบเมตริก ได้แก่

- มิลลิเมตร (1 มม.) ซึ่งเป็นหนึ่งในสิบของเซนติเมตรหรือหนึ่งในพันของเมตร ในระดับนี้เรามีเซลล์ที่ใหญ่ที่สุดในร่างกายซึ่งก็คือไข่ซึ่งมีขนาด 1.5 มม.

รูปที่ 1. เซลล์เม็ดเลือดแดงเป็นเซลล์ในระดับจุลภาค ที่มา: pixabay

- ส่วนที่สิบของมิลลิเมตร (0.1 มม.) นี่คือขนาดของความหนาหรือเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์

- ไมโครมิเตอร์หรือไมครอน (1μm = 0.001mm) ในระดับนี้คือเซลล์พืชและสัตว์และแบคทีเรีย

เซลล์พืชมีลำดับ100μm เซลล์สัตว์มีขนาดเล็กกว่าสิบเท่ามีขนาด10μm ในขณะที่แบคทีเรียมีขนาดเล็กกว่าเซลล์สัตว์ 10 เท่าและมีลำดับ1μm

เครื่องชั่งนาโน

มีการวัดที่เล็กกว่ามาตราส่วนด้วยกล้องจุลทรรศน์ แต่มักไม่นิยมใช้ยกเว้นในบริบทพิเศษบางอย่าง ที่นี่เราจะเห็นการวัดนาโนเมตริกที่สำคัญที่สุดบางส่วน:

- นาโนเมตร (1 ηm = 0.001 μm = 0.000001 mm) คือหนึ่งในล้านของมิลลิเมตร ในระดับนี้คือไวรัสและโมเลกุลบางชนิด ไวรัสอยู่ในลำดับ 10m และโมเลกุลตามลำดับ 1m

- อังสตรอม (1Å = 0.1ηm = 0.0001μm = 10 ^-7มม.) การวัดนี้จัดรูปแบบขนาดหรือขนาดอะตอม

- เดอะ phantomometer (1fm = = 0.00001Å0.000001ηm = 10 ^-12มิลลิเมตร) นี่คือขนาดของนิวเคลียสอะตอมซึ่งมีขนาดเล็กกว่าอะตอมระหว่าง 10,000 ถึง 100,000 เท่า อย่างไรก็ตามแม้จะมีขนาดเล็กนิวเคลียสก็มีความเข้มข้น 99.99% ของมวลอะตอม

- มีเกล็ดที่เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอมเนื่องจากสิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคเช่นโปรตอนและนิวตรอน แต่มีมากกว่านั้น: อนุภาคเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคพื้นฐานมากขึ้นเช่นควาร์ก

เครื่องมือสำหรับการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์

เมื่อวัตถุอยู่ระหว่างสเกลมิลลิเมตรและไมโครมิเตอร์ (1 มม. - 0.001 มม.) สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

อย่างไรก็ตามหากวัตถุหรือโครงสร้างอยู่ระหว่างนาโนเมตรและอังสตรอมจะต้องใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนหรือนาโนสโคป

ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแทนที่จะใช้แสงจะใช้อิเล็กตรอนพลังงานสูงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงมาก ข้อเสียของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนคือไม่สามารถวางตัวอย่างที่มีชีวิตไว้ในนั้นได้เนื่องจากทำงานภายใต้สุญญากาศ

แต่นาโนสโคปจะใช้แสงเลเซอร์แทนและมีข้อได้เปรียบเหนือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนตรงที่สามารถดูและแกะสลักโครงสร้างและโมเลกุลภายในเซลล์ที่มีชีวิตได้

นาโนเทคโนโลยีเป็นเทคโนโลยีที่ผลิตวงจรโครงสร้างชิ้นส่วนและแม้แต่มอเตอร์บนเครื่องชั่งตั้งแต่ระดับนาโนเมตรไปจนถึงระดับอะตอม

คุณสมบัติของกล้องจุลทรรศน์

ในทางฟิสิกส์การประมาณครั้งแรกพฤติกรรมของสสารและระบบจะถูกศึกษาจากมุมมองของมหภาค จากเรื่องกระบวนทัศน์นี้เป็นความต่อเนื่องที่หารไม่สิ้นสุด และมุมมองนี้ใช้ได้และเหมาะสมกับสถานการณ์ต่างๆในชีวิตประจำวัน

อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์บางอย่างในโลกมหภาคสามารถอธิบายได้ก็ต่อเมื่อคำนึงถึงคุณสมบัติของสสารด้วยกล้องจุลทรรศน์

ในมุมมองของกล้องจุลทรรศน์โครงสร้างโมเลกุลและอะตอมของสสารจะถูกนำมาพิจารณา ซึ่งแตกต่างจากวิธีการด้วยกล้องจุลทรรศน์ในระดับนี้มีโครงสร้างแบบละเอียดที่มีช่องว่างและช่องว่างระหว่างโมเลกุลอะตอมและแม้แต่ภายในพวกมัน

ลักษณะเฉพาะอื่น ๆ ของมุมมองของกล้องจุลทรรศน์ในฟิสิกส์คือชิ้นส่วนของสสารไม่ว่าจะเล็กเพียงใดประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมหาศาลที่แยกออกจากกันและเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง

- เรื่องนี้ถือเป็นความว่างเปล่าอันยิ่งใหญ่

ในสสารชิ้นเล็ก ๆ ระยะห่างระหว่างอะตอมนั้นมีค่ามหาศาลเมื่อเทียบกับขนาดของมัน แต่ในทางกลับกันอะตอมนั้นมีค่ามหาศาลเมื่อเทียบกับนิวเคลียสของตัวมันเองโดยที่ 99.99% ของมวลมีความเข้มข้น

นั่นคือชิ้นส่วนของสสารในระดับจุลภาคเป็นสุญญากาศขนาดใหญ่ที่มีความเข้มข้นของอะตอมและนิวเคลียสซึ่งครอบครองเพียงเศษเสี้ยวเล็ก ๆ ของปริมาตรทั้งหมด ในแง่นี้มาตราส่วนด้วยกล้องจุลทรรศน์จะคล้ายกับมาตราส่วนทางดาราศาสตร์

จากวัตถุขนาดใหญ่ไปจนถึงการค้นพบอะตอม

นักเคมีกลุ่มแรกซึ่งเป็นนักเล่นแร่แปรธาตุตระหนักว่าวัสดุอาจมีสองประเภท: บริสุทธิ์หรือสารประกอบ ดังนั้นแนวคิดเรื่ององค์ประกอบทางเคมีจึงมาถึง

องค์ประกอบทางเคมีแรกที่ค้นพบคือโลหะ 7 ชนิดในสมัยโบราณ ได้แก่ เงินทองเหล็กตะกั่วดีบุกทองแดงและปรอท เมื่อเวลาผ่านไปมีการค้นพบมากขึ้นเนื่องจากพบสารที่ไม่สามารถย่อยสลายเป็นสารอื่นได้

จากนั้นจึงจำแนกองค์ประกอบตามคุณสมบัติและลักษณะในโลหะและอโลหะ สิ่งที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกันและความสัมพันธ์ทางเคมีถูกจัดกลุ่มไว้ในคอลัมน์เดียวกันดังนั้นตารางธาตุจึงเกิดขึ้น

รูปที่ 2. ตารางธาตุของธาตุ ที่มา: wikimedia commons.

จากองค์ประกอบความคิดเกี่ยวกับอะตอมก็เปลี่ยนไปคำที่แปลว่าแบ่งแยกไม่ได้ หลังจากนั้นไม่นานนักวิทยาศาสตร์ก็ตระหนักว่าอะตอมมีโครงสร้าง นอกจากนี้อะตอมยังมีประจุไฟฟ้าสองประเภท (บวกและลบ)

อนุภาค

ในการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดที่เขาทิ้งระเบิดอะตอมของแผ่นทองคำบาง ๆ ด้วยอนุภาคแอลฟาเผยให้เห็นโครงสร้างของอะตอม: นิวเคลียสบวกขนาดเล็กที่ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน

อะตอมถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคพลังงานมากขึ้นเรื่อย ๆ และยังคงดำเนินการอยู่เพื่อไขความลับและคุณสมบัติของโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์ในขนาดที่เล็กลงและเล็กลง

ด้วยวิธีนี้จึงได้มาถึงแบบจำลองมาตรฐานซึ่งเป็นที่ยอมรับว่าอนุภาคมูลฐานที่แท้จริงเป็นส่วนประกอบของอะตอม ในทางกลับกันอะตอมก่อให้เกิดองค์ประกอบเหล่านี้เป็นสารประกอบและปฏิกิริยาที่ทราบทั้งหมด (ยกเว้นความโน้มถ่วง) มีทั้งหมด 12 อนุภาค

อนุภาคพื้นฐานเหล่านี้มีตารางธาตุด้วย มีสองกลุ่มคืออนุภาคเฟอร์มิโอนิก½หมุนและอนุภาคโบโซนิก โบซอนมีหน้าที่ในการโต้ตอบ เฟอร์มิโอนิกส์มีค่าเท่ากับ 12 และเป็นธาตุที่ก่อให้เกิดโปรตอนนิวตรอนและอะตอม

รูปที่ 3. อนุภาคพื้นฐาน ที่มา: wikimedia commons.

วิธีการนับอนุภาคในระดับจุลภาค?

เมื่อเวลาผ่านไปนักเคมีได้ค้นพบมวลสัมพัทธ์ขององค์ประกอบจากการวัดที่แม่นยำในปฏิกิริยาเคมี ดังนั้นจึงพบว่าคาร์บอนหนักกว่าไฮโดรเจน 12 เท่า

ไฮโดรเจนถูกกำหนดให้เป็นองค์ประกอบที่เบาที่สุดด้วยดังนั้นองค์ประกอบนี้จึงถูกกำหนดมวลสัมพัทธ์ 1

ในทางกลับกันนักเคมีจำเป็นต้องทราบจำนวนอนุภาคที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาเพื่อไม่ให้รีเอเจนต์เกินหรือขาดหายไป ตัวอย่างเช่นโมเลกุลของน้ำต้องการไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งตัว

จากก่อนหน้านี้แนวคิดเรื่องไฝเกิดขึ้น โมลของสารใด ๆ คือจำนวนอนุภาคคงที่เทียบเท่ากับมวลโมเลกุลหรือมวลอะตอมในหน่วยกรัม ดังนั้นจึงพบว่าคาร์บอน 12 กรัมมีจำนวนอนุภาคเท่ากับไฮโดรเจน 1 กรัม จำนวนดังกล่าวเรียกว่าหมายเลขของ Avogadro: อนุภาค 6.02 x 10 ^ 23

- ตัวอย่างที่ 1

คำนวณว่าทองคำมีกี่อะตอมในทองคำ 1 กรัม

สารละลาย

เป็นที่ทราบกันดีว่าทองคำมีน้ำหนักอะตอม 197 ข้อมูลนี้สามารถพบได้ในตารางธาตุและระบุว่าอะตอมของทองคำหนักกว่าไฮโดรเจน 197 เท่าและ 197/12 = 16,416 เท่าหนักกว่าคาร์บอน

ทองคำหนึ่งโมลมี 6.02 × 10 ^ 23 อะตอมและมีน้ำหนักอะตอมเป็นกรัมนั่นคือ 197 กรัม

ในหนึ่งกรัมของทองคำมีทองคำอยู่ 1/197 โมลนั่นคือ 6.02 × 10 ^ 23 อะตอม / 197 = 3.06 x10 ^ 23 อะตอมของทองคำ

- ตัวอย่างที่ 2

กำหนดจำนวนโมเลกุลของแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO ₃ ) ใน 150 กรัมของสารนี้ บอกด้วยว่าแคลเซียมมีกี่อะตอมคาร์บอนกี่ตัวและกี่ออกซิเจนในสารประกอบนี้

สารละลาย

สิ่งแรกที่ต้องทำคือกำหนดมวลโมเลกุลของแคลเซียมคาร์บอเนต ตารางธาตุระบุว่าแคลเซียมมีน้ำหนักโมเลกุล 40 กรัม / โมลคาร์บอน 12 กรัม / โมลและออกซิเจน 16 กรัม / โมล

จากนั้นมวลโมเลกุลของ (CaCO ₃ ) จะเป็น:

40 ก. / โมล + 12 ก. / โมล + 3 x 16 ก. / โมล = 100 ก. / โมล

แคลเซียมคาร์บอเนตทุกๆ 100 กรัมเท่ากับ 1 โมล ดังนั้นใน 150 กรัมจึงเท่ากับ 1.5 โมล

โมเลกุลคาร์บอเนตแต่ละโมลมี 6.02 x 10 ^ 23 โมเลกุลคาร์บอเนตดังนั้นใน 1.5 โมลคาร์บอเนตจึงมีโมเลกุล 9.03 x 10 ^ 23

ในระยะสั้นแคลเซียมคาร์บอเนต 150 กรัมมีดังนี้:

- 9.03 x 10 ^ 23 โมเลกุลของแคลเซียมคาร์บอเนต

- อะตอมของแคลเซียม: 9.03 x 10 ^ 23

- อะตอมของคาร์บอน 9.03 x 10 ^ 23

- สุดท้ายคือ 3 x 9.03 x 10 ^ 23 อะตอมของออกซิเจน = 27.09 x 10 ^ 23 อะตอมของออกซิเจน

อ้างอิง

1. ชีววิทยาประยุกต์. การวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์คืออะไร? ดึงมาจาก: youtube.com
2. เคมีศึกษา. การแสดงภาพมาโคร, กล้องจุลทรรศน์และสัญลักษณ์เกี่ยวกับสสาร สืบค้นจาก: scielo.org.mx.
3. García A. หลักสูตรฟิสิกส์เชิงโต้ตอบ สถานะมาโครไมโครสเตต อุณหภูมิเอนโทรปี กู้คืนจาก: sc.ehu.es
4. โครงสร้างกล้องจุลทรรศน์ของสสาร ดึงมาจาก: alipso.com
5. วิกิพีเดีย ระดับกล้องจุลทรรศน์. สืบค้นจาก: wikipedia.com