Met 'n atoom deur die eeue - deel 3

Rutherford se planetêre model van die atoom was nader aan die werklikheid as Thomson se "rosyntjiepoeding." Die lewe van hierdie konsep het egter net twee jaar geduur, maar voordat daar van 'n opvolger gepraat word, is dit tyd om die volgende atoomgeheime te ontrafel.

1. Waterstofisotope: stabiele prot en deuterium en radioaktiewe tritium (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

kernstorting

Die ontdekking van die verskynsel van radioaktiwiteit, wat die begin was van die ontrafeling van die geheimenisse van die atoom, het aanvanklik die basis van chemie bedreig – die wet van periodisiteit. In 'n kort tydjie is 'n paar dosyn radioaktiewe stowwe geïdentifiseer. Sommige van hulle het dieselfde chemiese eienskappe gehad, ten spyte van die verskillende atoommassa, terwyl ander, met dieselfde massas, verskillende eienskappe gehad het. Boonop was daar in die area van die periodieke tabel waar hulle geplaas moes word weens hul gewig, nie genoeg vrye spasie om almal te akkommodeer nie. Die periodieke tabel het verlore gegaan weens 'n stortvloed van ontdekkings.

2. Replika van J.J. Thompson se 1911 massaspektrometer (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Atoomkern

Dit is 10-100 duisend. keer kleiner as die hele atoom. As die kern van 'n waterstofatoom vergroot sou word tot die grootte van 'n bal met 'n deursnee van 1 cm en in die middel van 'n sokkerveld geplaas sou word, dan sou 'n elektron (kleiner as 'n speldekop) in die omgewing van 'n doel wees (meer as 50 m).

Byna die hele massa van 'n atoom is in die kern gekonsentreer, byvoorbeeld vir goud is dit amper 99,98%. Stel jou 'n kubus van hierdie metaal voor wat 19,3 ton weeg. Alles kerne van atome goud het 'n totale volume van minder as 1/1000 mm3 ('n bal met 'n deursnee van minder as 0,1 mm). Daarom is die atoom verskriklik leeg. Lesers moet die digtheid van die basismateriaal bereken.

Die oplossing vir hierdie probleem is in 1910 deur Frederick Soddy gevind. Hy het die konsep van isotope, m.a.w. variëteite van dieselfde element wat verskil in hul atoommassa (1). So het hy 'n ander postulaat van Dalton bevraagteken – van daardie oomblik af behoort 'n chemiese element nie meer uit atome van dieselfde massa te bestaan ​​nie. Die isotopiese hipotese, na eksperimentele bevestiging (massaspektrograaf, 1911), het dit ook moontlik gemaak om die fraksionele waardes van die atoommassas van sommige elemente te verduidelik - die meeste van hulle is mengsels van baie isotope, en atoommassa is die geweegde gemiddelde van die massas van almal (2).

Kernkomponente

Nog een van Rutherford se studente, Henry Moseley, het in 1913 X-strale bestudeer wat deur bekende elemente uitgestraal is. Anders as komplekse optiese spektra, is die X-straalspektrum baie eenvoudig - elke element straal slegs twee golflengtes uit, waarvan die golflengtes maklik met die lading van sy atoomkern gekorreleer word.

3. Een van die X-straalmasjiene wat deur Moseley gebruik word (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Dit het dit vir die eerste keer moontlik gemaak om die werklike aantal bestaande elemente aan te bied, asook om te bepaal hoeveel daarvan nog nie genoeg is om die gapings in die periodieke tabel te vul nie (3).

'n Deeltjie wat 'n positiewe lading dra, word 'n proton genoem (Grieks proton = eerste). Nog 'n probleem het dadelik ontstaan. Die massa van 'n proton is ongeveer gelyk aan 1 eenheid. Terwyl atoomkern natrium met 'n lading van 11 eenhede het 'n massa van 23 eenhede? Dieselfde is natuurlik die geval met ander elemente. Dit beteken dat daar ander deeltjies in die kern moet wees en nie 'n lading het nie. Aanvanklik het fisici aangeneem dat dit sterk gebonde protone met elektrone was, maar op die ou end is bewys dat 'n nuwe deeltjie verskyn het - die neutron (Latyns onsydige = neutraal). Die ontdekking van hierdie elementêre deeltjie (die sogenaamde basiese "stene" waaruit alle materie bestaan) is in 1932 deur die Engelse fisikus James Chadwick gemaak.

Protone en neutrone kan in mekaar verander. Fisici spekuleer dat dit vorms is van 'n deeltjie wat 'n nukleon genoem word (Latynse kern = kern).

Aangesien die kern van die eenvoudigste isotoop van waterstof 'n proton is, kan gesien word dat William Prout in sy "waterstof" hipotese atoom konstruksie hy was nie te verkeerd nie (kyk: “Met die atoom deur die eeue - deel 2”; “Jong Tegnikus” No. 8/2015). Aanvanklik was daar selfs fluktuasies tussen die name proton en "proton".

4. Fotoselle by die afwerking - die basis van hul werk is die foto-elektriese effek (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Nie alles word toegelaat nie

Rutherford se model het ten tyde van sy verskyning 'n "aangebore gebrek" gehad. Volgens Maxwell se wette van elektrodinamika (bevestig deur radio-uitsendings wat op daardie stadium reeds funksioneer), behoort 'n elektron wat in 'n sirkel beweeg 'n elektromagnetiese golf uit te straal.

Dit verloor dus energie, waardeur dit op die kern val. Onder normale toestande straal atome nie uit nie (spektra word gevorm wanneer dit tot hoë temperature verhit word) en atoomkatastrofes word nie waargeneem nie (die geskatte leeftyd van 'n elektron is minder as een miljoenste van 'n sekonde).

Rutherford se model het die resultaat van die partikelverstrooiingseksperiment verduidelik, maar het steeds nie met die werklikheid ooreengestem nie.

In 1913 het mense "gewoond geraak" aan die feit dat energie in die mikrokosmos geneem en gestuur word nie in enige hoeveelheid nie, maar in porsies, genoem kwanta. Op hierdie basis het Max Planck die aard van die spektra van straling wat deur verhitte liggame uitgestraal word, verduidelik (1900), en Albert Einstein (1905) het die geheime van die foto-elektriese effek verduidelik, dit wil sê die vrystelling van elektrone deur verligte metale (4).

5. Diffraksiebeeld van elektrone op 'n tantaaloksiedkristal toon sy simmetriese struktuur (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Die 28-jarige Deense fisikus Niels Bohr het Rutherford se model van die atoom verbeter. Hy het voorgestel dat elektrone slegs in bane beweeg wat aan sekere energietoestande voldoen. Daarbenewens straal elektrone nie straling uit terwyl hulle beweeg nie, en energie word slegs geabsorbeer en vrygestel wanneer dit tussen wentelbane geskuif word. Die aannames het klassieke fisika weerspreek, maar die resultate wat op hulle basis verkry is (die grootte van die waterstofatoom en die lengte van die lyne van sy spektrum) het geblyk te stem ooreen met die eksperiment. nuut gebore model atoom.

Ongelukkig was die resultate slegs geldig vir die waterstofatoom (maar het nie al die spektrale waarnemings verduidelik nie). Vir ander elemente het die berekeningsresultate nie met die werklikheid ooreengestem nie. Dus het fisici nog nie 'n teoretiese model van die atoom gehad nie.

Misteries het ná elf jaar begin opklaar. Die doktorale proefskrif van die Franse fisikus Ludwik de Broglie het gehandel oor die golfeienskappe van materiaaldeeltjies. Dit is reeds bewys dat lig, benewens die tipiese kenmerke van 'n golf (diffraksie, breking), ook optree soos 'n versameling deeltjies - fotone (byvoorbeeld elastiese botsings met elektrone). Maar massa-voorwerpe? Die voorstel het gelyk soos 'n pypdroom vir 'n prins wat 'n fisikus wou word. In 1927 is 'n eksperiment egter uitgevoer wat de Broglie se hipotese bevestig het - die elektronstraal het op 'n metaalkristal gebuig (5).

Waar het atome vandaan gekom?

Soos almal: Big Bang. Fisici glo dat letterlik in 'n breukdeel van 'n sekonde vanaf die "nulpunt" protone, neutrone en elektrone, dit wil sê die samestellende atome, gevorm is. 'n Paar minute later (toe die heelal afgekoel het en die digtheid van materie afgeneem het), het die nukleone saamgesmelt en die kerne van ander elemente as waterstof gevorm. Die grootste hoeveelheid helium is gevorm, asook spore van die volgende drie elemente. Eers na 100 XNUMX Vir baie jare het toestande elektrone toegelaat om aan kerne te bind - die eerste atome is gevorm. Ek moes lank wag vir die volgende een. Toevallige skommelinge in digtheid het die vorming van digthede veroorsaak, wat, soos dit verskyn het, al hoe meer materie aangetrek het. Gou, in die duisternis van die heelal, het die eerste sterre opgevlam.

Na ongeveer 'n miljard jaar het sommige van hulle begin sterf. In hul kursus het hulle geproduseer kerne van atome tot yster toe. Nou, toe hulle gesterf het, het hulle hulle oor die hele streek versprei, en nuwe sterre is uit die as gebore. Die mees massiewe van hulle het 'n skouspelagtige einde gehad. Tydens supernova-ontploffings is die kerne met soveel deeltjies gebombardeer dat selfs die swaarste elemente gevorm is. Hulle het nuwe sterre, planete en op sommige aardbole gevorm – lewe.

Die bestaan ​​van materiegolwe is bewys. Aan die ander kant is 'n elektron in 'n atoom as 'n staande golf beskou, waardeur dit nie energie uitstraal nie. Die golfeienskappe van bewegende elektrone is gebruik om elektronmikroskope te skep, wat dit vir die eerste keer moontlik gemaak het om atome te sien (6). In die daaropvolgende jare het die werk van Werner Heisenberg en Erwin Schrödinger (op grond van die de Broglie-hipotese) dit moontlik gemaak om 'n nuwe model van die elektronskulpe van die atoom te ontwikkel, heeltemal gebaseer op ervaring. Maar dit is vrae buite die bestek van die artikel.

Die droom van die alchemiste het waar geword

Natuurlike radioaktiewe transformasies, waarin nuwe elemente gevorm word, is sedert die einde van die 1919de eeu bekend. In XNUMX, iets waartoe net die natuur tot nou toe in staat was. Ernest Rutherford was gedurende hierdie tydperk besig met die interaksie van deeltjies met materie. Tydens die toetse het hy opgemerk dat die protone verskyn as gevolg van bestraling met stikstofgas.

Die enigste verklaring vir die verskynsel was die reaksie tussen heliumkerne ('n deeltjie en die kern van 'n isotoop van hierdie element) en stikstof (7). As gevolg hiervan word suurstof en waterstof gevorm ('n proton is die kern van die ligste isotoop). Die alchemiste se droom van transmutasie het waar geword. In die volgende dekades is elemente vervaardig wat nie in die natuur voorkom nie.

Natuurlike radioaktiewe preparate wat a-deeltjies uitstraal was nie meer geskik vir hierdie doel nie (die Coulomb-versperring van swaar kerne is te groot vir 'n ligte deeltjie om hulle te nader). Die versnellers, wat enorme energie aan die kerne van swaar isotope oorgee, het geblyk "alchemiese oonde" te wees waarin die voorvaders van vandag se chemici probeer het om die "koning van metale" te verkry (8).

Eintlik, wat van goud? Alchemiste het meestal kwik as 'n grondstof vir die produksie daarvan gebruik. Daar moet erken word dat hulle in hierdie geval 'n regte "neus" gehad het. Dit was van kwik wat in 'n kernreaktor met neutrone behandel is dat kunsmatige goud vir die eerste keer verkry is. Die metaalstuk is in 1955 by die Geneefse Atoomkonferensie vertoon.

Fig. 6. Atome op die oppervlak van goud, sigbaar in die beeld in 'n skandeertonnelmikroskoop.

7. Skema van die eerste menslike transmutasie van die elemente

Die nuus van die prestasie van fisici het selfs 'n kort opskudding op die wêreldaandelebeurse veroorsaak, maar die opspraakwekkende persberigte is weerlê deur inligting oor die prys van die erts wat op hierdie manier ontgin word - dit is baie keer duurder as natuurlike goud. Reaktore sal nie die edelmetaalmyn vervang nie. Maar die isotope en kunsmatige elemente wat daarin geproduseer word (vir die doeleindes van medisyne, energie, wetenskaplike navorsing) is baie meer werd as goud.

8. Historiese siklotron wat die eerste paar elemente na uraan in die periodieke tabel sintetiseer (Lawrence Radiation Laboratory, Universiteit van Kalifornië, Berkeley, Augustus 1939)

Vir lesers wat graag die kwessies wat in die teks geopper word wil ondersoek, beveel ek 'n reeks artikels deur mnr. Tomasz Sowiński aan. Het in "Young Technics" in 2006-2010 verskyn (onder die opskrif "Hoe hulle ontdek het"). Die tekste is ook beskikbaar op die skrywer se webwerf by: .

Siklus"Met 'n atoom vir eeue» Hy het begin met 'n herinnering dat die afgelope eeu dikwels die ouderdom van die atoom genoem is. Natuurlik kan 'n mens nie nalaat om kennis te neem van die fundamentele prestasies van fisici en chemici van die XNUMXste eeu in die struktuur van materie nie. In onlangse jare brei kennis oor die mikrokosmos egter vinniger en vinniger uit, tegnologieë word ontwikkel wat dit moontlik maak om individuele atome en molekules te manipuleer. Dit gee ons die reg om te sê dat die werklike ouderdom van die atoom nog nie aangebreek het nie.