Su atomu per amžius – 3 dalis

Rutherfordo planetinis atomo modelis buvo arčiau tikrovės nei Thomsono „razinų pudingas“. Tačiau šios koncepcijos gyvavimas truko tik dvejus metus, tačiau prieš kalbant apie įpėdinį, pats metas įminti kitas atomazgas paslaptis.

1. Vandenilio izotopai: stabilus prot ir deuteris bei radioaktyvusis tritis (nuotrauka: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

branduolinė lavina

Radioaktyvumo reiškinio atradimas, žymėjęs atomo paslapčių išaiškinimo pradžią, iš pradžių kėlė grėsmę chemijos pagrindui – periodiškumo dėsniui. Per trumpą laiką buvo nustatytos kelios dešimtys radioaktyvių medžiagų. Kai kurie iš jų turėjo tas pačias chemines savybes, nepaisant skirtingos atominės masės, o kiti, kurių masė buvo tokia pati, turėjo skirtingas savybes. Be to, periodinės lentelės srityje, kurioje jie turėjo būti išdėstyti dėl savo svorio, nebuvo pakankamai laisvos vietos jiems visiems sutalpinti. Periodinė lentelė buvo prarasta dėl atradimų lavinos.

2. J.J. Thompsono 1911 m. masės spektrometro kopija (nuotrauka: Jeffas Dahlas / „Wikimedia Commons“)

Atominis branduolys

Tai 10-100 tūkst. kartų mažesnis už visą atomą. Jei vandenilio atomo branduolys būtų padidintas iki 1 cm skersmens kamuoliuko dydžio ir patalpintas futbolo aikštės centre, elektronas (mažesnis už smeigtuko galvutę) būtų šalia vartų. (virš 50 m).

Beveik visa atomo masė yra sutelkta branduolyje, pavyzdžiui, auksui ji yra beveik 99,98%. Įsivaizduokite šio metalo kubą, sveriantį 19,3 tonos. Visi atomų branduoliai aukso bendras tūris yra mažesnis nei 1/1000 mm3 (rutulys, kurio skersmuo mažesnis nei 0,1 mm). Todėl atomas siaubingai tuščias. Skaitytojai turi apskaičiuoti pagrindinės medžiagos tankį.

Šios problemos sprendimą 1910 m. rado Frederickas Soddy. Jis pristatė izotopų sąvoką, t.y. to paties elemento atmainos, kurios skiriasi savo atomine mase (1). Taigi jis suabejojo ​​dar vienu Daltono postulatu – nuo ​​to momento cheminis elementas nebeturėtų susidėti iš tos pačios masės atomų. Izotopinė hipotezė, po eksperimentinio patvirtinimo (masių spektrografas, 1911), taip pat leido paaiškinti kai kurių elementų atominių masių trupmenines vertes - dauguma jų yra daugelio izotopų mišiniai ir atominė masė yra visų jų masių svertinis vidurkis (2).

Branduolio komponentai

Kitas Rutherfordo mokinys Henry Moseley 1913 metais tyrinėjo žinomų elementų skleidžiamus rentgeno spindulius. Skirtingai nuo sudėtingų optinių spektrų, rentgeno spindulių spektras yra labai paprastas – kiekvienas elementas skleidžia tik du bangos ilgius, kurių bangos ilgiai lengvai koreliuoja su jo atomo branduolio krūviu.

3. Vienas iš Moseley naudojamų rentgeno aparatų (nuotrauka: Magnusas Manske / Wikimedia Commons)

Tai leido pirmą kartą pateikti realų esamų elementų skaičių, taip pat nustatyti, kiek jų vis dar nepakanka periodinės lentelės spragoms užpildyti (3).

Dalelė, turinti teigiamą krūvį, vadinama protonu (graikiškai protonas = pirmasis). Iš karto iškilo kita problema. Protono masė yra maždaug lygi 1 vienetui. kadangi atomo branduolys natrio, kurio įkrova yra 11 vienetų, masė yra 23 vienetai? Tas pats, žinoma, yra ir su kitais elementais. Tai reiškia, kad branduolyje turi būti kitų dalelių, kurios neturi krūvio. Iš pradžių fizikai manė, kad tai yra stipriai su elektronais susieti protonai, tačiau galiausiai buvo įrodyta, kad atsirado nauja dalelė – neutronas (lot. neuter = neutralus). Šią elementariąją dalelę (vadinamųjų pagrindinių „plytų“, sudarančių visą materiją) 1932 m. atrado anglų fizikas Jamesas Chadwickas.

Protonai ir neutronai gali virsti vienas kitu. Fizikai spėja, kad tai yra dalelės, vadinamos nukleonu, formos (lot. nucleus = branduolys).

Kadangi paprasčiausio vandenilio izotopo branduolys yra protonas, galima pastebėti, kad Williamas Proutas savo „vandenilio“ hipotezėje atominė konstrukcija jis labai neklydo (žr.: „Su atomu per amžius – 2 dalis“; „Jaunasis technikas“ Nr. 8/2015). Iš pradžių net buvo svyravimų tarp pavadinimų protonas ir „protonas“.

4. Fotoelementai finiše – jų darbo pagrindas yra fotoelektrinis efektas (nuotrauka: Ies / Wikimedia Commons)

Ne viskas leidžiama

Rutherfordo modelis savo pasirodymo metu turėjo „įgimtą defektą“. Pagal Maksvelo elektrodinamikos dėsnius (tai patvirtina tuo metu jau veikusi radijo transliacija), ratu judantis elektronas turėtų skleisti elektromagnetinę bangą.

Taigi jis praranda energiją, dėl to patenka į branduolį. Normaliomis sąlygomis atomai nespinduliuoja (pakaitinus iki aukštos temperatūros susidaro spektrai) ir nepastebimos atominės katastrofos (apskaičiuota elektrono gyvavimo trukmė yra mažesnė nei viena milijoninė sekundės dalis).

Rutherfordo modelis paaiškino dalelių sklaidos eksperimento rezultatą, bet vis tiek neatitiko tikrovės.

1913 metais žmonės „priprato“ prie to, kad energija mikrokosmose imama ir siunčiama ne bet koks kiekis, o porcijomis, vadinamomis kvantais. Tuo remdamasis Maxas Planckas paaiškino įkaitusių kūnų skleidžiamos spinduliuotės spektrų prigimtį (1900), o Albertas Einšteinas (1905) – fotoelektrinio efekto, t.y. apšviestų metalų elektronų emisijos, paslaptis (4).

5. Elektronų difrakcijos vaizdas tantalo oksido kristale rodo simetrišką jo struktūrą (nuotrauka: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 metų danų fizikas Nielsas Bohras patobulino Rutherfordo atomo modelį. Jis pasiūlė, kad elektronai judėtų tik tomis orbitomis, kurios atitinka tam tikras energijos sąlygas. Be to, judėdami elektronai neskleidžia spinduliuotės, o energija sugeriama ir išspinduliuojama tik šuntuojant tarp orbitų. Prielaidos prieštaravo klasikinei fizikai, tačiau jų pagrindu gauti rezultatai (vandenilio atomo dydis ir jo spektro linijų ilgis) pasirodė atitinkantys eksperimentą. naujagimis modelis atomu.

Deja, rezultatai galiojo tik vandenilio atomui (bet nepaaiškino visų spektrinių stebėjimų). Kitų elementų skaičiavimo rezultatai neatitiko tikrovės. Taigi fizikai dar neturėjo teorinio atomo modelio.

Paslaptys ėmė aiškėti po vienuolikos metų. Prancūzų fiziko Ludwiko de Broglie daktaro disertacijoje buvo nagrinėjamos medžiagų dalelių banginės savybės. Jau įrodyta, kad šviesa, be būdingų bangai charakteristikų (difrakcijos, lūžio), taip pat elgiasi kaip dalelių – fotonų rinkinys (pavyzdžiui, tamprūs susidūrimai su elektronais). Bet masiniai objektai? Šis pasiūlymas princui, norinčiam tapti fiziku, atrodė tarsi svajonė. Tačiau 1927 metais buvo atliktas eksperimentas, kuris patvirtino de Broglie hipotezę – elektronų pluoštas difraktavo ant metalinio kristalo (5).

Iš kur atsirado atomai?

Kaip ir visi kiti: Didysis sprogimas. Fizikai mano, kad pažodžiui per sekundės dalį nuo „nulinio taško“ susidarė protonai, neutronai ir elektronai, tai yra, juos sudarantys atomai. Po kelių minučių (visatai atvėsus ir sumažėjus medžiagos tankiui) nukleonai susijungė ir susidarė kitų nei vandenilio elementų branduoliai. Susidarė didžiausias helio kiekis, taip pat šių trijų elementų pėdsakai. Tik po 100 XNUMX Daugelį metų sąlygos leido elektronams prisijungti prie branduolių – susidarė pirmieji atomai. Teko ilgai laukti kito. Atsitiktiniai tankio svyravimai sąlygojo tankių susidarymą, kurie pasirodę pritraukdavo vis daugiau materijos. Netrukus visatos tamsoje suliepsnojo pirmosios žvaigždės.

Maždaug po milijardo metų kai kurie iš jų pradėjo mirti. Savo kurse jie gamino atomų branduoliai iki geležies. Dabar, kai jie mirė, jie išplatino juos visame regione ir iš pelenų gimė naujos žvaigždės. Masyviausias iš jų turėjo įspūdingą pabaigą. Per supernovų sprogimus branduoliai buvo bombarduojami tiek daug dalelių, kad susidarė net sunkiausi elementai. Jie suformavo naujas žvaigždes, planetas, o kai kuriuose gaubliuose – gyvybę.

Materijos bangų egzistavimas buvo įrodytas. Kita vertus, elektronas atome buvo laikomas stovinčia banga, dėl kurios jis nespinduliuoja energijos. Judančių elektronų banginės savybės buvo panaudotos kuriant elektroninius mikroskopus, kurie leido pirmą kartą pamatyti atomus (6). Vėlesniais metais Wernerio Heisenbergo ir Erwino Schrödingerio darbai (remiantis de Broglie hipoteze) leido sukurti naują atomo elektronų apvalkalo modelį, visiškai pagrįstą patirtimi. Tačiau tai yra klausimai, nepatenka į straipsnio taikymo sritį.

Alchemikų svajonė išsipildė

Gamtinės radioaktyvios transformacijos, kurių metu susidaro nauji elementai, žinomos nuo 1919 amžiaus pabaigos. XNUMX – tai, ką iki šiol galėjo padaryti tik gamta. Ernestas Rutherfordas šiuo laikotarpiu užsiėmė dalelių sąveika su medžiaga. Bandymų metu jis pastebėjo, kad protonai atsirado dėl apšvitinimo azoto dujomis.

Vienintelis reiškinio paaiškinimas buvo reakcija tarp helio branduolių (dalelės ir šio elemento izotopo branduolio) ir azoto (7). Dėl to susidaro deguonis ir vandenilis (protonas yra lengviausio izotopo branduolys). Alchemikų svajonė apie transmutaciją išsipildė. Vėlesniais dešimtmečiais buvo gaminami elementai, kurių gamtoje nėra.

Natūralūs radioaktyvūs preparatai, skleidžiantys a daleles, šiam tikslui nebetinka (sunkiųjų branduolių Kulono barjeras yra per didelis, kad lengva dalelė prie jų priartėtų). Greitintuvai, perduodantys didžiulę energiją sunkiųjų izotopų branduoliams, pasirodė esąs „alcheminės krosnys“, kuriose šiandieninių chemikų protėviai bandė gauti „metalų karalių“ (8).

Tiesą sakant, kaip su auksu? Alchemikai kaip žaliavą jo gamybai dažniausiai naudojo gyvsidabrį. Reikia pripažinti, kad šiuo atveju jie turėjo tikrą „nosį“. Iš gyvsidabrio, apdoroto neutronais branduoliniame reaktoriuje, pirmą kartą buvo gautas dirbtinis auksas. Metalo gabalas buvo parodytas 1955 metais Ženevos atominėje konferencijoje.

6 pav. Aukso paviršiaus atomai, matomi vaizde skenuojančiame tuneliniame mikroskopu.

7. Pirmosios žmogaus elementų transmutacijos schema

Žinia apie fizikų pasiekimą net sukėlė trumpą ažiotažą pasaulio biržose, tačiau sensacingus spaudos pranešimus paneigė informacija apie tokiu būdu išgaunamos rūdos kainą – ji daug kartų brangesnė už natūralų auksą. Tauriųjų metalų kasyklos reaktoriai nepakeis. Bet juose gaminami izotopai ir dirbtiniai elementai (medicinos, energetikos, mokslinių tyrimų tikslais) yra daug vertingesni už auksą.

8. Istorinis ciklotronas, sintezuojantis keletą pirmųjų elementų po urano periodinėje lentelėje (Lawrence Radiation Laboratory, Kalifornijos universitetas, Berklis, 1939 m. rugpjūčio mėn.)

Skaitytojams, kurie norėtų panagrinėti tekste iškeltas problemas, rekomenduoju pono Tomaszo Sowińskio straipsnių ciklą. 2006–2010 m. pasirodė „Young Technics“ (skiltyje „Kaip jie atrado“). Tekstai taip pat pateikiami autoriaus svetainėje adresu: .

Ciklas"Su atomu šimtmečius» Jis pradėjo primindamas, kad praeitas šimtmetis dažnai buvo vadinamas atomo amžiumi. Žinoma, negalima nepaminėti esminių XNUMX amžiaus fizikų ir chemikų pasiekimų materijos struktūroje. Tačiau pastaraisiais metais žinios apie mikrokosmosą vis sparčiau plečiasi, kuriamos technologijos, leidžiančios manipuliuoti atskirais atomais ir molekulėmis. Tai suteikia mums teisę teigti, kad tikrasis atomo amžius dar neatėjo.