Со атом низ вековите - 3 дел

Планетарниот модел на атомот на Радерфорд беше поблиску до реалноста од Томсоновиот „пудинг од суво грозје“. Сепак, животот на овој концепт траеше само две години, но пред да се зборува за наследник, време е да се откријат следните атомски тајни.

1. Водородни изотопи: стабилен прот и деутериум и радиоактивен тритиум (фото: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

нуклеарна лавина

Откривањето на феноменот на радиоактивност, што го означи почетокот на разоткривањето на мистериите на атомот, првично ја загрози основата на хемијата - законот за периодичност. За кратко време беа идентификувани неколку десетици радиоактивни материи. Некои од нив имале исти хемиски својства, и покрај различната атомска маса, додека други, со исти маси, имале различни својства. Притоа, во областа на периодниот систем каде што требаше да бидат поставени поради нивната тежина, немаше доволно слободен простор за сите нив да се сместат. Периодниот систем е изгубен поради лавина откритија.

2. Реплика на масениот спектрометар на Џеј Џеј Томпсон од 1911 година (фото: Џеф Дал/Викимедија Комонс)

атомско јадро

Ова е 10-100 илјади. пати помал од целиот атом. Ако јадрото на атом на водород се зголеми до големина на топка со пречник од 1 cm и се стави во центарот на фудбалското игралиште, тогаш електрон (помал од главата на игла) ќе биде во близина на гол. (над 50 m).

Речиси целата маса на атомот е концентрирана во јадрото, на пример, за златото е скоро 99,98%. Замислете коцка од овој метал со тежина од 19,3 тони. Сите јадра на атоми злато имаат вкупен волумен помал од 1/1000 mm3 (топка со дијаметар помал од 0,1 mm). Затоа, атомот е ужасно празен. Читателите мора да ја пресметаат густината на основниот материјал.

Решението за овој проблем го нашол Фредерик Соди во 1910 година. Тој го воведе концептот на изотопи, т.е. сорти на ист елемент кои се разликуваат по нивната атомска маса (1). Така, тој доведе во прашање уште еден постулат на Далтон - од тој момент, хемиски елемент повеќе не треба да се состои од атоми со иста маса. Изотопската хипотеза, по експериментална потврда (масен спектрограф, 1911), исто така овозможи да се објаснат фракционите вредности на атомските маси на некои елементи - повеќето од нив се мешавини на многу изотопи, и атомска маса е пондериран просек на масите на сите нив (2).

Компоненти на јадрото

Друг ученик на Радерфорд, Хенри Мозели, во 1913 година ги проучувал рендгенските зраци емитувани од познати елементи. За разлика од сложените оптички спектри, спектарот на Х-зраци е многу едноставен - секој елемент емитира само две бранови должини, чии бранови должини лесно се во корелација со полнењето на неговото атомско јадро.

3. Еден од апаратите за рендген што ги користи Мозели (фото: Магнус Манске/Викимедија Комонс)

Ова овозможи за прв пат да се прикаже реалниот број на постоечки елементи, како и да се утврди колку од нив сè уште не се доволни за пополнување на празнините во периодниот систем (3).

Честичката што носи позитивен полнеж се нарекува протон (грчки протон = прв). Веднаш се појави уште еден проблем. Масата на протонот е приближно еднаква на 1 единица. Додека атомско јадро натриумот со полнење од 11 единици има маса од 23 единици? Истото, се разбира, е случај и со другите елементи. Ова значи дека мора да има други честички присутни во јадрото и да немаат полнење. Првично, физичарите претпоставуваа дека се работи за силно врзани протони со електрони, но на крајот се докажа дека се појавила нова честичка - неутронот (латински neuter = неутрален). Откривањето на оваа елементарна честичка (т.н. основни „тули“ кои ја сочинуваат целата материја) е направено во 1932 година од англискиот физичар Џејмс Чадвик.

Протоните и неутроните можат да се претворат еден во друг. Физичарите шпекулираат дека тоа се форми на честичка наречена нуклеон (латински јадро = јадро).

Бидејќи јадрото на наједноставниот изотоп на водородот е протон, може да се види дека Вилијам Проут во неговата хипотеза за „водород“ структурата на атомот не погрешил премногу (види: „Со атомот низ вековите - дел 2“; „Млад техничар“ бр. 8/2015). Првично, имаше дури и флуктуации помеѓу имињата протон и „протон“.

4. Фотоелементи на финишот - основата на нивната работа е фотоелектричниот ефект (фото: Ies / Wikimedia Commons)

Не е се дозволено

Моделот на Радерфорд во моментот на неговото појавување имал „вроден дефект“. Според законите на Максвел за електродинамиката (потврдени со радио емитување што веќе функционирало во тоа време), електронот што се движи во круг треба да зрачи електромагнетен бран.

Така, ја губи енергијата, како резултат на што паѓа на јадрото. Во нормални услови, атомите не зрачат (спектрите се формираат кога се загреваат на високи температури) и не се забележуваат атомски катастрофи (проценетиот животен век на електронот е помал од еден милионити дел од секундата).

Моделот на Радерфорд го објасни резултатот од експериментот за расејување честички, но сепак не одговараше на реалноста.

Во 1913 година, луѓето се „навикнаа“ на фактот дека енергијата во микрокосмосот се зема и се испраќа не во било која количина, туку во делови, наречени кванти. Врз основа на ова, Макс Планк ја објасни природата на спектрите на зрачење што се емитуваат од загреаните тела (1900), а Алберт Ајнштајн (1905) тајните на фотоелектричниот ефект, т.е. емисијата на електрони од осветлените метали (4).

5. Дифракционата слика на електроните на кристал од тантал оксид ја покажува неговата симетрична структура (фото: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-годишниот дански физичар Нилс Бор го подобри моделот на атомот на Радерфорд. Тој предложи електроните да се движат само во орбити кои исполнуваат одредени енергетски услови. Покрај тоа, електроните не испуштаат зрачење додека се движат, а енергијата се апсорбира и се емитува само кога се шантираат помеѓу орбитите. Претпоставките се спротивставија на класичната физика, но резултатите добиени врз основа на нив (големината на атомот на водород и должината на линиите на неговиот спектар) се покажаа во согласност со експериментот. новороденче модел atomu.

За жал, резултатите беа валидни само за атомот на водород (но не ги објаснија сите спектрални набљудувања). За другите елементи, резултатите од пресметката не одговараат на реалноста. Така, физичарите сè уште немале теоретски модел на атомот.

Мистериите почнаа да се расчистуваат по единаесет години. Докторската дисертација на францускиот физичар Лудвик де Броље се занимавала со брановите својства на материјалните честички. Веќе е докажано дека светлината, покрај типичните карактеристики на бранот (дифракција, прекршување), се однесува и како збирка честички - фотони (на пример, еластични судири со електрони). Но, масовни објекти? Предлогот изгледаше како сон за принц кој сакаше да стане физичар. Меѓутоа, во 1927 година беше спроведен експеримент кој ја потврди хипотезата на Де Брољ - електронскиот зрак дифракција на метален кристал (5).

Од каде потекнуваат атомите?

Како и сите други: Биг Бенг. Физичарите веруваат дека буквално за дел од секундата од „нултата точка“ настанале протоните, неутроните и електроните, односно составните атоми. Неколку минути подоцна (кога универзумот се олади и густината на материјата се намали), нуклеоните се споија заедно, формирајќи јадра на други елементи освен водород. Формирана е најголемата количина на хелиум, како и траги од следните три елементи. Само по 100 XNUMX За многу години, условите дозволуваа електроните да се врзат за јадрата - беа формирани првите атоми. Морав долго да чекам за следниот. Случајните флуктуации на густината предизвикаа формирање на густини, кои, како што се појавуваа, привлекуваа се повеќе и повеќе материја. Наскоро, во темнината на универзумот, се разгореа првите ѕвезди.

По околу милијарда години, некои од нив почнаа да умираат. Во својот тек произведоа јадра на атоми до железо. Сега, кога умреле, ги рашириле низ регионот, а од пепелта се родиле нови ѕвезди. Најмасовниот од нив имаше спектакуларен крај. За време на експлозии на супернова, јадрата биле бомбардирани со толку многу честички што се формирале дури и најтешките елементи. Тие формираа нови ѕвезди, планети, а на некои глобуси - живот.

Постоењето на материјални бранови е докажано. Од друга страна, електронот во атомот се сметал за стоечки бран, поради што не зрачи енергија. Брановите својства на електроните што се движат беа искористени за создавање на електронски микроскопи, кои овозможија да се видат атомите за прв пат (6). Во следните години, работата на Вернер Хајзенберг и Ервин Шредингер (врз основа на хипотезата на Де Брогли) овозможи да се развие нов модел на електронските обвивки на атомот, целосно заснован на искуство. Но, ова се прашања надвор од опсегот на статијата.

Сонот на алхемичарите се оствари

Природните радиоактивни трансформации, во кои се формираат нови елементи, се познати од крајот на 1919 век. Во XNUMX, нешто за што само природата беше способна до сега. Ернест Радерфорд во овој период бил ангажиран во интеракцијата на честичките со материјата. За време на тестовите забележал дека протоните се појавиле како резултат на зрачење со азотен гас.

Единственото објаснување за феноменот беше реакцијата помеѓу јадрата на хелиум (честичка и јадрото на изотоп на овој елемент) и азот (7). Како резултат на тоа, се формираат кислород и водород (протонот е јадрото на најлесниот изотоп). Сонот на алхемичарите за трансмутација се оствари. Во следните децении се произведени елементи кои ги нема во природата.

Природните радиоактивни препарати кои емитуваат а-честички повеќе не биле погодни за оваа намена (Кулановата бариера од тешки јадра е преголема за лесна честичка да им се приближи). Забрзувачите, давајќи огромна енергија на јадрата на тешките изотопи, се покажа дека се „алхемиски печки“ во кои предците на денешните хемичари се обидувале да го добијат „кралот на металите“ (8).

Всушност, што е со златото? Алхемичарите најчесто користеле жива како суровина за нејзино производство. Мора да се признае дека во овој случај тие имаа вистински „нос“. Вештачкото злато прво беше добиено од жива третирана со неутрони во нуклеарен реактор. Металното парче беше прикажано во 1955 година на атомската конференција во Женева.

Сл. 6. Атоми на површината на злато, видливи на сликата во микроскоп за скенирање на тунели.

7. Шема на првата човечка трансмутација на елементите

Веста за достигнувањето на физичарите дури и предизвика кратка врева на светските берзи, но сензационалните написи во печатот беа побиени од информациите за цената на рудата што се ископува на овој начин - таа е многу пати поскапа од природното злато. Реакторите нема да го заменат рудникот за благородни метали. Но, изотопите и вештачките елементи произведени во нив (за целите на медицината, енергијата, научните истражувања) се многу повредни од златото.

8. Историски циклотрон ги синтетизира првите неколку елементи по ураниумот во периодниот систем (лабораторија за зрачење Лоренс, Универзитетот во Калифорнија, Беркли, август 1939 година)

За читателите кои би сакале да ги истражат прашањата покренати во текстот, препорачувам серија написи од г-дин Томаш Совињски. Се појави во „Young Technics“ во 2006-2010 година (под наслов „Како открија“). Текстовите се достапни и на веб-страницата на авторот на: .

Циклус"Со атом засекогаш» Тој започна со потсетување дека минатиот век често се нарекувал ера на атомот. Се разбира, не може да не се забележат основните достигнувања на физичарите и хемичарите од XNUMX век во структурата на материјата. Сепак, во последниве години, знаењето за микрокосмосот се шири побрзо и побрзо, се развиваат технологии кои овозможуваат манипулирање со поединечни атоми и молекули. Ова ни дава за право да кажеме дека вистинската возраст на атомот сè уште не е пристигната.