Dengan atom sepanjang zaman - bahagian 3

Model planet atom Rutherford lebih dekat dengan realiti daripada "puding kismis" Thomson. Walau bagaimanapun, hayat konsep ini hanya bertahan selama dua tahun, tetapi sebelum bercakap tentang pengganti, sudah tiba masanya untuk membongkar rahsia atom seterusnya.

1. Isotop hidrogen: prot stabil dan deuterium dan tritium radioaktif (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

salji nuklear

Penemuan fenomena radioaktiviti, yang menandakan permulaan pembongkaran misteri atom, pada mulanya mengancam asas kimia - undang-undang berkala. Dalam masa yang singkat, beberapa dozen bahan radioaktif telah dikenal pasti. Sebahagian daripada mereka mempunyai sifat kimia yang sama, walaupun jisim atom berbeza, manakala yang lain, dengan jisim yang sama, mempunyai sifat yang berbeza. Lebih-lebih lagi, di kawasan jadual berkala di mana mereka sepatutnya diletakkan kerana beratnya, tidak ada ruang kosong yang cukup untuk menampung mereka semua. Jadual berkala telah hilang disebabkan oleh runtuhan salji penemuan.

2. Replika spektrometer jisim J.J. Thompson 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Nukleus atom

Ini adalah 10-100 ribu. kali lebih kecil daripada keseluruhan atom. Jika nukleus atom hidrogen dibesarkan kepada saiz bola dengan diameter 1 cm dan diletakkan di tengah-tengah padang bola sepak, maka elektron (lebih kecil daripada kepala jarum) akan berada di sekitar gol. (lebih 50 m).

Hampir keseluruhan jisim atom tertumpu di dalam nukleus, contohnya, untuk emas ia hampir 99,98%. Bayangkan sebuah kiub logam ini seberat 19,3 tan. Semuanya nukleus atom emas mempunyai jumlah isipadu kurang daripada 1/1000 mm3 (bola dengan diameter kurang daripada 0,1 mm). Oleh itu, atom sangat kosong. Pembaca mesti mengira ketumpatan bahan asas.

Penyelesaian kepada masalah ini ditemui pada tahun 1910 oleh Frederick Soddy. Beliau memperkenalkan konsep isotop, i.e. jenis unsur yang sama yang berbeza dalam jisim atomnya (1). Oleh itu, dia mempersoalkan satu lagi postulat Dalton - mulai saat itu, unsur kimia tidak lagi harus terdiri daripada atom yang mempunyai jisim yang sama. Hipotesis isotop, selepas pengesahan eksperimen (spektrograf jisim, 1911), juga memungkinkan untuk menerangkan nilai pecahan jisim atom beberapa unsur - kebanyakannya adalah campuran banyak isotop, dan jisim atom ialah purata wajaran jisim kesemuanya (2).

Komponen Kernel

Seorang lagi pelajar Rutherford, Henry Moseley, mengkaji sinar-X yang dipancarkan oleh unsur-unsur yang diketahui pada tahun 1913. Tidak seperti spektrum optik kompleks, spektrum sinar-X adalah sangat mudah - setiap unsur hanya memancarkan dua panjang gelombang, panjang gelombangnya mudah dikaitkan dengan cas nukleus atomnya.

3. Salah satu mesin X-ray yang digunakan oleh Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Ini membolehkan buat pertama kalinya untuk membentangkan bilangan sebenar elemen sedia ada, serta menentukan berapa banyak daripada mereka masih tidak mencukupi untuk mengisi jurang dalam jadual berkala (3).

Zarah yang membawa cas positif dipanggil proton (proton Yunani = pertama). Masalah lain segera timbul. Jisim proton adalah lebih kurang sama dengan 1 unit. Sedangkan nukleus atom natrium dengan cas 11 unit mempunyai jisim 23 unit? Perkara yang sama, sudah tentu, adalah kes dengan unsur-unsur lain. Ini bermakna mesti ada zarah lain yang terdapat dalam nukleus dan tidak mempunyai cas. Pada mulanya, ahli fizik menganggap bahawa ini adalah proton yang terikat kuat dengan elektron, tetapi pada akhirnya terbukti bahawa zarah baru muncul - neutron (Neuter Latin = neutral). Penemuan zarah asas ini (yang dipanggil "bata" asas yang membentuk semua jirim) telah dibuat pada tahun 1932 oleh ahli fizik Inggeris James Chadwick.

Proton dan neutron boleh bertukar menjadi satu sama lain. Ahli fizik membuat spekulasi bahawa ia adalah bentuk zarah yang dipanggil nukleon (nukleus Latin = nukleus).

Memandangkan nukleus isotop hidrogen termudah ialah proton, dapat dilihat bahawa William Prout dalam hipotesis "hidrogen"nya pembinaan atom dia tidak terlalu salah (lihat: "Dengan atom sepanjang zaman - bahagian 2"; "Juruteknik Muda" No. 8/2015). Pada mulanya, terdapat juga turun naik antara nama proton dan "proton".

4. Photocells pada penamat - asas kerja mereka adalah kesan fotoelektrik (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Tidak semua dibenarkan

Model Rutherford pada masa penampilannya mempunyai "kecacatan kongenital". Menurut undang-undang elektrodinamik Maxwell (disahkan oleh penyiaran radio yang sudah berfungsi pada masa itu), elektron yang bergerak dalam bulatan harus memancarkan gelombang elektromagnet.

Oleh itu, ia kehilangan tenaga, akibatnya ia jatuh pada nukleus. Di bawah keadaan biasa, atom tidak memancar (spektra terbentuk apabila dipanaskan pada suhu tinggi) dan malapetaka atom tidak diperhatikan (anggaran jangka hayat elektron adalah kurang daripada satu persejuta saat).

Model Rutherford menjelaskan hasil eksperimen penyerakan zarah, tetapi masih tidak sesuai dengan realiti.

Pada tahun 1913, orang "terbiasa" dengan fakta bahawa tenaga dalam mikrokosmos diambil dan dihantar bukan dalam sebarang kuantiti, tetapi dalam bahagian, dipanggil quanta. Atas dasar ini, Max Planck menerangkan sifat spektrum sinaran yang dipancarkan oleh badan yang dipanaskan (1900), dan Albert Einstein (1905) menjelaskan rahsia kesan fotoelektrik, iaitu, pelepasan elektron oleh logam yang diterangi (4).

5. Imej pembelauan elektron pada kristal tantalum oksida menunjukkan struktur simetrinya (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Ahli fizik Denmark berusia 28 tahun, Niels Bohr memperbaik model atom Rutherford. Beliau mencadangkan bahawa elektron bergerak hanya dalam orbit yang memenuhi keadaan tenaga tertentu. Di samping itu, elektron tidak memancarkan sinaran semasa ia bergerak, dan tenaga hanya diserap dan dipancarkan apabila dihalang antara orbit. Andaian itu bercanggah dengan fizik klasik, tetapi keputusan yang diperoleh berdasarkannya (saiz atom hidrogen dan panjang garis spektrumnya) ternyata konsisten dengan eksperimen. baru lahir model atom.

Malangnya, keputusan hanya sah untuk atom hidrogen (tetapi tidak menjelaskan semua pemerhatian spektrum). Untuk elemen lain, hasil pengiraan tidak sepadan dengan realiti. Oleh itu, ahli fizik belum mempunyai model teori atom.

Misteri mula terbongkar selepas sebelas tahun. Disertasi kedoktoran ahli fizik Perancis Ludwik de Broglie menangani sifat gelombang zarah bahan. Telah terbukti bahawa cahaya, sebagai tambahan kepada ciri khas gelombang (pembelauan, pembiasan), juga berkelakuan seperti koleksi zarah - foton (contohnya, perlanggaran elastik dengan elektron). Tetapi objek jisim? Cadangan itu seolah-olah mimpi paip untuk seorang putera raja yang ingin menjadi seorang ahli fizik. Walau bagaimanapun, pada tahun 1927 satu eksperimen telah dijalankan yang mengesahkan hipotesis de Broglie - rasuk elektron difraksi pada kristal logam (5).

Di manakah atom berasal?

Seperti orang lain: Big Bang. Ahli fizik percaya bahawa secara literal dalam pecahan sesaat daripada "titik sifar" proton, neutron dan elektron, iaitu, atom konstituen, telah terbentuk. Beberapa minit kemudian (apabila alam semesta menyejuk dan ketumpatan jirim berkurangan), nukleon bergabung bersama, membentuk nukleus unsur selain hidrogen. Jumlah terbesar helium telah terbentuk, serta kesan tiga unsur berikut. Hanya selepas 100 XNUMX Selama bertahun-tahun, keadaan membenarkan elektron untuk mengikat nukleus - atom pertama terbentuk. Saya terpaksa menunggu lama untuk yang seterusnya. Turun naik rawak dalam ketumpatan menyebabkan pembentukan ketumpatan, yang, apabila ia muncul, menarik lebih banyak bahan. Tidak lama kemudian, dalam kegelapan alam semesta, bintang-bintang pertama menyala.

Selepas kira-kira satu bilion tahun, sebahagian daripada mereka mula mati. Dalam kursus mereka mereka menghasilkan nukleus atom turun ke besi. Sekarang, apabila mereka mati, mereka menyebarkannya ke seluruh wilayah, dan bintang-bintang baru lahir dari abu. Yang paling besar daripada mereka mempunyai penghujung yang menakjubkan. Semasa letupan supernova, nukleus dihujani dengan begitu banyak zarah sehingga unsur yang paling berat pun terbentuk. Mereka membentuk bintang baru, planet, dan pada beberapa glob - kehidupan.

Kewujudan gelombang jirim telah terbukti. Sebaliknya, elektron dalam atom dianggap sebagai gelombang berdiri, kerana ia tidak memancarkan tenaga. Sifat gelombang elektron yang bergerak digunakan untuk mencipta mikroskop elektron, yang memungkinkan untuk melihat atom buat kali pertama (6). Pada tahun-tahun berikutnya, kerja Werner Heisenberg dan Erwin Schrödinger (berdasarkan hipotesis de Broglie) memungkinkan untuk membangunkan model baru kulit elektron atom, sepenuhnya berdasarkan pengalaman. Tetapi ini adalah soalan di luar skop artikel.

Impian ahli alkimia menjadi kenyataan

Transformasi radioaktif semulajadi, di mana unsur-unsur baru terbentuk, telah diketahui sejak akhir abad ke-1919. Pada tahun XNUMX, sesuatu yang hanya mampu dilakukan oleh alam semula jadi sehingga kini. Ernest Rutherford dalam tempoh ini terlibat dalam interaksi zarah dengan jirim. Semasa ujian, dia menyedari bahawa proton muncul akibat penyinaran dengan gas nitrogen.

Satu-satunya penjelasan untuk fenomena ini ialah tindak balas antara nukleus helium (zarah dan nukleus isotop unsur ini) dan nitrogen (7). Akibatnya, oksigen dan hidrogen terbentuk (proton ialah nukleus isotop paling ringan). Impian alkimia untuk transmutasi telah menjadi kenyataan. Dalam dekad berikutnya, unsur-unsur yang tidak terdapat dalam alam semula jadi telah dihasilkan.

Persediaan radioaktif semula jadi yang memancarkan zarah-a tidak lagi sesuai untuk tujuan ini (halangan Coulomb nukleus berat terlalu besar untuk zarah cahaya mendekatinya). Pemecut, memberikan tenaga yang sangat besar kepada nukleus isotop berat, ternyata menjadi "relau alkimia", di mana nenek moyang ahli kimia hari ini cuba mendapatkan "raja logam" (8).

Sebenarnya, bagaimana dengan emas? Ahli alkimia paling kerap menggunakan merkuri sebagai bahan mentah untuk pengeluarannya. Harus diakui bahawa dalam kes ini mereka mempunyai "hidung" yang sebenar. Ia adalah daripada merkuri yang dirawat dengan neutron dalam reaktor nuklear yang pertama kali diperolehi emas tiruan. Sekeping logam itu ditunjukkan pada tahun 1955 di Persidangan Atom Geneva.

Rajah 6. Atom pada permukaan emas, boleh dilihat dalam imej dalam mikroskop terowong pengimbasan.

7. Skema pemindahan manusia pertama unsur-unsur

Berita tentang pencapaian ahli fizik walaupun menyebabkan heboh singkat di bursa saham dunia, tetapi laporan akhbar sensasi telah disangkal oleh maklumat tentang harga bijih yang dilombong dengan cara ini - ia berkali ganda lebih mahal daripada emas asli. Reaktor tidak akan menggantikan lombong logam berharga. Tetapi isotop dan unsur tiruan yang dihasilkan di dalamnya (untuk tujuan perubatan, tenaga, penyelidikan saintifik) jauh lebih berharga daripada emas.

8. Siklotron bersejarah mensintesis beberapa unsur pertama selepas uranium dalam jadual berkala (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, Ogos 1939)

Bagi pembaca yang ingin meneroka isu yang dibangkitkan dalam teks, saya mengesyorkan satu siri artikel oleh En. Tomasz Sowiński. Muncul dalam "Teknik Muda" pada 2006-2010 (di bawah tajuk "Bagaimana mereka menemui"). Teks-teks tersebut juga boleh didapati di laman web pengarang di: .

Kitaran"Dengan atom untuk zaman» Dia bermula dengan peringatan bahawa abad yang lalu sering dipanggil zaman atom. Sudah tentu, seseorang tidak boleh gagal untuk mencatat pencapaian asas ahli fizik dan ahli kimia abad ke-XNUMX dalam struktur jirim. Walau bagaimanapun, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pengetahuan tentang mikrokosmos berkembang lebih cepat dan lebih pantas, teknologi sedang dibangunkan yang membolehkan memanipulasi atom dan molekul individu. Ini memberi kita hak untuk mengatakan bahawa usia sebenar atom masih belum tiba.