Z atomom skozi stoletja - 3. del

Rutherfordov planetarni model atoma je bil bližje realnosti kot Thomsonov »rozin puding«. Vendar je življenje tega koncepta trajalo le dve leti, a preden govorimo o nasledniku, je čas, da razkrijemo naslednje atomske skrivnosti.

1. Izotopi vodika: stabilni prot in devterij ter radioaktivni tritij (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

jedrski plaz

Odkritje pojava radioaktivnosti, ki je pomenilo začetek razkrivanja skrivnosti atoma, je sprva ogrozilo osnovo kemije – zakon periodičnosti. V kratkem času je bilo identificiranih več deset radioaktivnih snovi. Nekateri od njih so imeli kljub različni atomski masi enake kemijske lastnosti, drugi pa z enakimi masami drugačne lastnosti. Poleg tega na območju periodične tabele, kamor bi jih morali postaviti zaradi svoje teže, ni bilo dovolj prostega prostora, da bi jih vse sprejeli. Periodični sistem je bil izgubljen zaradi plazu odkritij.

2. Replika masnega spektrometra J.J. Thompsona iz leta 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Atomsko jedro

To je 10-100 tisoč. krat manjša od celotnega atoma. Če bi jedro vodikovega atoma povečali na velikost žoge s premerom 1 cm in ga postavili v središče nogometnega igrišča, bi bil elektron (manjši od glave žebljička) v bližini gola. (več kot 50 m).

Skoraj celotna masa atoma je koncentrirana v jedru, na primer za zlato je skoraj 99,98%. Predstavljajte si kocko te kovine, ki tehta 19,3 tone. Vse jedra atomov zlata imajo skupno prostornino manj kot 1/1000 mm3 (kroglica s premerom manj kot 0,1 mm). Zato je atom strašno prazen. Bralci morajo izračunati gostoto osnovnega materiala.

Rešitev tega problema je leta 1910 našel Frederick Soddy. Uvedel je koncept izotopov, tj. različice istega elementa, ki se razlikujejo po svoji atomski masi (1). Tako je postavil pod vprašaj še en Daltonov postulat - od tega trenutka naprej kemični element ne sme biti več sestavljen iz atomov enake mase. Izotopska hipoteza je po eksperimentalni potrditvi (masni spektrograf, 1911) omogočila tudi razlago frakcijskih vrednosti atomskih mas nekaterih elementov - večina je mešanic številnih izotopov, oz. atomska masa je tehtano povprečje mas vseh (2).

Komponente jedra

Še en Rutherfordov študent, Henry Moseley, je leta 1913 preučeval rentgenske žarke, ki jih oddajajo znani elementi. Za razliko od kompleksnih optičnih spektrov je rentgenski spekter zelo preprost – vsak element oddaja le dve valovni dolžini, katerih valovni dolžini zlahka povežemo z nabojem njegovega atomskega jedra.

3. Eden od rentgenskih aparatov, ki jih uporablja Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

To je omogočilo prvič predstaviti realno število obstoječih elementov in ugotoviti, koliko od njih še ni dovolj za zapolnitev vrzeli v periodnem sistemu (3).

Delec, ki nosi pozitiven naboj, se imenuje proton (grško proton = prvi). Takoj se je pojavila še ena težava. Masa protona je približno enaka 1 enoti. ker atomsko jedro ima natrij z nabojem 11 enot maso 23 enot? Enako je seveda tudi z drugimi elementi. To pomeni, da morajo biti v jedru prisotni drugi delci, ki nimajo naboja. Sprva so fiziki domnevali, da gre za močno vezane protone z elektroni, na koncu pa se je izkazalo, da se je pojavil nov delec – nevtron (latinsko neuter = nevtralen). Do odkritja tega elementarnega delca (tako imenovane osnovne »opeke«, ki sestavljajo vso snov) je leta 1932 prišel angleški fizik James Chadwick.

Protoni in nevtroni se lahko spremenijo drug v drugega. Fiziki domnevajo, da gre za oblike delca, imenovanega nukleon (latinsko nucleus = jedro).

Ker je jedro najpreprostejšega izotopa vodika proton, je razvidno, da je William Prout v svoji hipotezi o "vodiku" atomska konstrukcija ni se preveč zmotil (glej: »Z atomom skozi stoletja - 2. del«; »Mladi tehnik« št. 8/2015). Sprva so bila celo nihanja med imeni proton in "proton".

4. Fotocelice na cilju - osnova njihovega dela je fotoelektrični učinek (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Ni vse dovoljeno

Rutherfordov model je imel ob pojavu "prirojeno napako". Po Maxwellovih zakonih elektrodinamike (potrjeno z radijskim oddajanjem, ki je takrat že delovalo), bi moral elektron, ki se giblje v krogu, oddajati elektromagnetno valovanje.

Tako izgublja energijo, zaradi česar pade na jedro. V normalnih pogojih atomi ne sevajo (spektri nastanejo pri segrevanju na visoke temperature) in atomske katastrofe ne opazimo (ocenjena življenjska doba elektrona je manjša od milijoninke sekunde).

Rutherfordov model je pojasnil rezultat poskusa sipanja delcev, vendar še vedno ni ustrezal realnosti.

Leta 1913 so se ljudje "navadili" na dejstvo, da se energija v mikrokozmosu jemlje in pošilja ne v kakršni koli količini, ampak v porcijah, imenovanih kvanti. Na tej podlagi je Max Planck razložil naravo spektrov sevanja, ki jih oddajajo segreta telesa (1900), Albert Einstein (1905) pa skrivnosti fotoelektričnega učinka, to je oddajanja elektronov z osvetljenimi kovinami (4).

5. Difrakcijska slika elektronov na kristalu tantalovega oksida prikazuje njegovo simetrično strukturo (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-letni danski fizik Niels Bohr je izboljšal Rutherfordov model atoma. Predlagal je, da se elektroni gibljejo le po orbitah, ki izpolnjujejo določene energijske pogoje. Poleg tega elektroni med premikanjem ne oddajajo sevanja, energija pa se absorbira in oddaja le, ko se premika med orbitami. Predpostavke so bile v nasprotju s klasično fiziko, vendar so se rezultati, dobljeni na njihovi podlagi (velikost atoma vodika in dolžina linij njegovega spektra), izkazali za skladne s poskusom. novorojenček atomski model.

Žal so bili rezultati veljavni samo za atom vodika (niso pa pojasnili vseh spektralnih opazovanj). Za druge elemente rezultati izračuna niso ustrezali realnosti. Tako fiziki še niso imeli teoretičnega modela atoma.

Skrivnosti so se začele razjasnjevati po enajstih letih. Doktorska disertacija francoskega fizika Ludwika de Broglieja je obravnavala valovne lastnosti materialnih delcev. Dokazano je že, da se svetloba poleg značilnih lastnosti valovanja (uklon, lom) obnaša tudi kot skupek delcev – fotonov (na primer elastični trki z elektroni). Toda množični predmeti? Za princa, ki je želel postati fizik, se je ta predlog zdel neresničen. Leta 1927 pa je bil izveden poskus, ki je potrdil de Brogliejevo hipotezo – elektronski žarek se je uklonil na kovinskem kristalu (5).

Od kod so prišli atomi?

Kot vsi drugi: Big Bang. Fiziki verjamejo, da so dobesedno v delčku sekunde od "ničelne točke" nastali protoni, nevtroni in elektroni, torej sestavni atomi. Nekaj ​​minut pozneje (ko se je vesolje ohladilo in se je gostota snovi zmanjšala), so se nukleoni združili in tvorili jedra drugih elementov kot vodika. Nastala je največja količina helija, pa tudi sledi naslednjih treh elementov. Šele po 100 XNUMX Dolga leta so pogoji omogočali, da se elektroni vežejo na jedra - nastali so prvi atomi. Na naslednjega sem moral dolgo čakati. Naključna nihanja gostote so povzročila nastanek gostot, ki so, kot so se pojavile, privlačile vse več snovi. Kmalu so v temi vesolja prižgale prve zvezde.

Po približno milijarde let so nekateri začeli umirati. V svojem poteku so proizvajali jedra atomov do železa. Zdaj, ko so umrli, so jih razširili po vsej regiji in iz pepela so se rodile nove zvezde. Najbolj množična med njimi je imela spektakularen konec. Med eksplozijami supernove so bila jedra bombardirana s toliko delci, da so nastali tudi najtežji elementi. Oblikovali so nove zvezde, planete in na nekaterih globusih - življenje.

Dokazano je obstoj valovanja snovi. Po drugi strani pa je elektron v atomu veljal za stoječi val, zaradi katerega ne oddaja energije. Valovne lastnosti gibljivih elektronov so bile uporabljene za izdelavo elektronskih mikroskopov, ki so omogočili prvič videti atome (6). V naslednjih letih je delo Wernerja Heisenberga in Erwina Schrödingerja (na podlagi de Brogliejeve hipoteze) omogočilo razvoj novega modela elektronskih lupin atoma, ki je v celoti temeljil na izkušnjah. Toda to so vprašanja izven okvira članka.

Sanje alkimistov so se uresničile

Naravne radioaktivne transformacije, pri katerih nastajajo novi elementi, so znane že od konca 1919. stoletja. V XNUMX nekaj, česar je bila do zdaj sposobna samo narava. Ernest Rutherford se je v tem obdobju ukvarjal z interakcijo delcev s snovjo. Med testi je opazil, da so se protoni pojavili kot posledica obsevanja z dušikovim plinom.

Edina razlaga za pojav je bila reakcija med helijevimi jedri (delec in jedro izotopa tega elementa) in dušikom (7). Posledično nastaneta kisik in vodik (proton je jedro najlažjega izotopa). Sanje alkimistov o transmutaciji so se uresničile. V naslednjih desetletjih so nastali elementi, ki jih v naravi ni.

Naravni radioaktivni pripravki, ki oddajajo a-delce, za ta namen niso bili več primerni (Coulombova pregrada težkih jeder je prevelika, da bi se jim lahko približal lahek delec). Izkazalo se je, da so pospeševalniki, ki so jedrim težkih izotopov prenašali ogromno energije, "alkemične peči", v katerih so predniki današnjih kemikov poskušali dobiti "kralja kovin" (8).

Pravzaprav, kaj pa zlato? Alkimisti so najpogosteje uporabljali živo srebro kot surovino za njegovo proizvodnjo. Priznati je treba, da so imeli v tem primeru pravi "nos". Iz živega srebra, obdelanega z nevtroni v jedrskem reaktorju, je bilo prvič pridobljeno umetno zlato. Kovinski kos je bil leta 1955 prikazan na Ženevski atomski konferenci.

Slika 6. Atomi na površini zlata, vidni na sliki v skenirnem tunelskem mikroskopu.

7. Shema prve človeške transmutacije elementov

Novica o dosežku fizikov je povzročila celo kratek razburjenje na svetovnih borzah, vendar so senzacionalna novinarska poročanja ovrgla s podatkom o ceni tako pridobljene rude - ta je večkrat dražja od naravnega zlata. Reaktorji ne bodo nadomestili rudnika plemenitih kovin. A v njih proizvedeni izotopi in umetni elementi (za namene medicine, energetike, znanstvenih raziskav) so veliko dragocenejši od zlata.

8. Zgodovinski ciklotron, ki sintetizira prvih nekaj elementov po uranu v periodnem sistemu (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, avgust 1939)

Bralcem, ki bi radi raziskali vprašanja, ki jih obravnava besedilo, priporočam serijo člankov g. Tomasza Sowińskega. Pojavil se je v "Mladi tehniki" v letih 2006-2010 (pod naslovom "Kako so odkrili"). Besedila so dostopna tudi na avtorjevi spletni strani: .

cikel "Z atomom že stoletja» Začel je z opomnikom, da so preteklo stoletje pogosto imenovali doba atoma. Seveda ne moremo opozoriti na temeljne dosežke fizikov in kemikov XNUMX. stoletja v strukturi snovi. Vendar pa se v zadnjih letih znanje o mikrokozmosu vse hitreje širi, razvijajo se tehnologije, ki omogočajo manipulacijo posameznih atomov in molekul. To nam daje pravico trditi, da prava starost atoma še ni prišla.