Ar atomu cauri laikiem - 3.daļa

Rezerforda planētais atoma modelis bija tuvāk realitātei nekā Tomsona "rozīņu pudiņš". Tomēr šīs koncepcijas mūžs ilga tikai divus gadus, bet pirms runāt par pēcteci, pienācis laiks atšķetināt nākamos atomu noslēpumus.

1. Ūdeņraža izotopi: stabils prot un deitērijs un radioaktīvais tritijs (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

kodollavīna

Radioaktivitātes fenomena atklāšana, kas iezīmēja atoma noslēpumu atšķetināšanas sākumu, sākotnēji apdraudēja ķīmijas pamatu – periodiskuma likumu. Īsā laikā tika identificēti vairāki desmiti radioaktīvo vielu. Dažiem no tiem bija vienādas ķīmiskās īpašības, neskatoties uz atšķirīgo atomu masu, savukārt citiem, ar vienādām masām, bija atšķirīgas īpašības. Turklāt periodiskās tabulas apgabalā, kur tos vajadzēja novietot to svara dēļ, nebija pietiekami daudz brīvas vietas, lai tās visas ievietotu. Periodiskā tabula tika zaudēta atklājumu lavīnas dēļ.

2. J.J. Thompson 1911. gada masu spektrometra kopija (foto: Džefs Dāls/Wikimedia Commons)

Atomu kodols

Tas ir 10-100 tūkstoši. reizes mazāks par visu atomu. Ja ūdeņraža atoma kodolu palielinātu līdz bumbiņas izmēram ar diametru 1 cm un novietotu futbola laukuma centrā, tad elektrons (mazāks par adatas galvu) atrastos vārtu tuvumā. (virs 50 m).

Gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta kodolā, piemēram, zeltam tā ir gandrīz 99,98%. Iedomājieties šī metāla kubu, kas sver 19,3 tonnas. Viss atomu kodoli zelta kopējais tilpums ir mazāks par 1/1000 mm3 (bumba ar diametru mazāku par 0,1 mm). Tāpēc atoms ir šausmīgi tukšs. Lasītājiem jāaprēķina pamatmateriāla blīvums.

Šīs problēmas risinājumu 1910. gadā atrada Frederiks Sodijs. Viņš ieviesa izotopu jēdzienu, t.i. viena un tā paša elementa šķirnes, kas atšķiras pēc atommasas (1). Tādējādi viņš apšaubīja citu Daltona postulātu - no šī brīža ķīmiskais elements vairs nedrīkst sastāvēt no vienas masas atomiem. Izotopu hipotēze pēc eksperimentāla apstiprinājuma (masu spektrogrāfs, 1911) ļāva arī izskaidrot dažu elementu atomu masu daļējās vērtības - lielākā daļa no tiem ir daudzu izotopu maisījumi, un atomu masa ir visu to masu vidējais svērtais lielums (2).

Kodola komponenti

Cits Rezerforda skolnieks Henrijs Mozelijs 1913. gadā pētīja rentgenstarus, ko izstaro zināmi elementi. Atšķirībā no sarežģītajiem optiskajiem spektriem, rentgenstaru spektrs ir ļoti vienkāršs – katrs elements izstaro tikai divus viļņu garumus, kuru viļņu garumi ir viegli korelē ar tā atoma kodola lādiņu.

3. Viena no Moseley izmantotajām rentgena iekārtām (foto: Magnuss Manske/Wikimedia Commons)

Tas ļāva pirmo reizi uzrādīt reālo esošo elementu skaitu, kā arī noteikt, cik daudz no tiem joprojām nav pietiekami, lai aizpildītu robus periodiskajā tabulā (3).

Daļiņu ar pozitīvu lādiņu sauc par protonu (grieķu protons = pirmais). Uzreiz radās cita problēma. Protona masa ir aptuveni vienāda ar 1 vienību. Tā kā atoma kodols nātrija ar lādiņu 11 vienības masa ir 23 vienības? Tas pats, protams, ir ar citiem elementiem. Tas nozīmē, ka kodolā ir jābūt citām daļiņām, kurām nav lādiņa. Sākotnēji fiziķi pieņēma, ka tie ir stipri saistīti protoni ar elektroniem, taču beigās tika pierādīts, ka parādījās jauna daļiņa - neitrons (latīņu valodā neitrāls = neitrāls). Šo elementārdaļiņu (tā sauktos pamata "ķieģeļus", kas veido visu matēriju) 1932. gadā atklāja angļu fiziķis Džeimss Čadviks.

Protoni un neitroni var pārvērsties viens par otru. Fiziķi domā, ka tās ir daļiņas formas, ko sauc par nukleonu (latīņu valodā nucleus = kodols).

Tā kā vienkāršākā ūdeņraža izotopa kodols ir protons, var redzēt, ka Viljams Prouts savā "ūdeņraža" hipotēzē atomu uzbūve viņš nekļūdījās (sk.: “Ar atomu cauri laikiem – 2.daļa”; “Jaunais tehniķis” Nr. 8/2015). Sākotnēji pat bija svārstības starp nosaukumiem protons un "protons".

4. Fotoelementi finišā - to darba pamatā ir fotoelektriskais efekts (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Ne viss ir atļauts

Rezerforda modelim tā parādīšanās brīdī bija "iedzimts defekts". Saskaņā ar Maksvela elektrodinamikas likumiem (to apstiprina tobrīd jau funkcionējošā radio apraide), elektronam, kas kustas pa apli, jāizstaro elektromagnētiskais vilnis.

Tādējādi tas zaudē enerģiju, kā rezultātā tas nokrīt uz kodolu. Normālos apstākļos atomi neizstaro (karsējot līdz augstām temperatūrām veidojas spektri) un netiek novērotas atomu katastrofas (aprēķinātais elektrona dzīves ilgums ir mazāks par vienu sekundes miljondaļu).

Rezerforda modelis izskaidroja daļiņu izkliedes eksperimenta rezultātu, taču joprojām neatbilda realitātei.

1913. gadā cilvēki "pieraduši" pie tā, ka enerģija mikrokosmosā tiek ņemta un nosūtīta nevis jebkurā daudzumā, bet porcijās, ko sauc par kvantiem. Pamatojoties uz to, Makss Planks izskaidroja sakarsētu ķermeņu izstarotā starojuma spektru būtību (1900), un Alberts Einšteins (1905) skaidroja fotoelektriskā efekta, t.i., elektronu emisijas ar apgaismotiem metāliem, noslēpumus (4).

5. Elektronu difrakcijas attēls uz tantala oksīda kristāla parāda tā simetrisko struktūru (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 gadus vecais dāņu fiziķis Nīls Bors uzlaboja Raterforda atoma modeli. Viņš ierosināja, ka elektroni pārvietojas tikai pa orbītām, kas atbilst noteiktiem enerģijas nosacījumiem. Turklāt elektroni, pārvietojoties, neizstaro starojumu, un enerģija tiek absorbēta un izstarota tikai tad, ja tiek manevrēta starp orbītām. Pieņēmumi bija pretrunā ar klasisko fiziku, bet uz to pamata iegūtie rezultāti (ūdeņraža atoma lielums un tā spektra līniju garums) izrādījās atbilstoši eksperimentam. jaundzimušais modelis atomu.

Diemžēl rezultāti bija derīgi tikai ūdeņraža atomam (bet nepaskaidroja visus spektrālos novērojumus). Pārējiem elementiem aprēķinu rezultāti neatbilda realitātei. Tādējādi fiziķiem vēl nebija atoma teorētiskā modeļa.

Noslēpumi sāka noskaidroties pēc vienpadsmit gadiem. Franču fiziķa Ludvika de Brogli doktora disertācija aplūkoja materiālu daļiņu viļņu īpašības. Jau ir pierādīts, ka gaisma papildus viļņa tipiskajām īpašībām (difrakcija, refrakcija) uzvedas arī kā daļiņu - fotonu kopums (piemēram, elastīgas sadursmes ar elektroniem). Bet masu objekti? Šis ieteikums prinčam, kurš vēlējās kļūt par fiziķi, šķita kā sapnis. Tomēr 1927. gadā tika veikts eksperiments, kas apstiprināja de Broglie hipotēzi - elektronu stars difraktēja uz metāla kristāla (5).

No kurienes radās atomi?

Tāpat kā visi pārējie: Lielais sprādziens. Fiziķi uzskata, ka burtiski sekundes daļā no "nulles punkta" izveidojās protoni, neitroni un elektroni, tas ir, to veidojošie atomi. Dažas minūtes vēlāk (kad Visums atdzisa un matērijas blīvums samazinājās) nukleoni saplūda kopā, veidojot citu elementu, izņemot ūdeņradi, kodolus. Lielākais daudzums hēlija veidojās, kā arī sekojošo trīs elementu pēdas. Tikai pēc 100 XNUMX Daudzus gadus apstākļi ļāva elektroniem saistīties ar kodoliem - tika izveidoti pirmie atomi. Uz nākamo bija jāgaida ilgi. Nejaušas blīvuma svārstības izraisīja blīvumu veidošanos, kas, parādoties, piesaistīja arvien vairāk matērijas. Drīz vien Visuma tumsā uzliesmoja pirmās zvaigznes.

Pēc apmēram miljarda gadu daži no viņiem sāka mirt. Savā kursā viņi ražoja atomu kodoli līdz dzelzs. Tagad, kad viņi nomira, viņi tos izplatīja visā reģionā, un no pelniem dzima jaunas zvaigznes. Vismasīvākajai no tām bija iespaidīgas beigas. Supernovas sprādzienu laikā kodoli tika bombardēti ar tik daudzām daļiņām, ka izveidojās pat vissmagākie elementi. Viņi veidoja jaunas zvaigznes, planētas un uz dažiem globusiem - dzīvību.

Matērijas viļņu esamība ir pierādīta. No otras puses, elektrons atomā tika uzskatīts par stāvošu vilni, kura dēļ tas neizstaro enerģiju. Kustīgo elektronu viļņu īpašības tika izmantotas, lai izveidotu elektronu mikroskopus, kas ļāva pirmo reizi redzēt atomus (6). Turpmākajos gados Vernera Heizenberga un Ervina Šrēdingera darbs (pamatojoties uz de Broglie hipotēzi) ļāva izstrādāt jaunu atoma elektronu apvalku modeli, kas pilnībā balstīts uz pieredzi. Bet tie ir jautājumi, kas neietilpst raksta ietvaros.

Alķīmiķu sapnis piepildījās

Dabas radioaktīvās pārvērtības, kurās veidojas jauni elementi, ir zināmas kopš 1919. gadsimta beigām. XNUMX — kaut kas tāds, uz ko līdz šim ir spējusi tikai daba. Ernests Rezerfords šajā periodā nodarbojās ar daļiņu mijiedarbību ar vielu. Pārbaužu laikā viņš pamanīja, ka protoni parādījās apstarošanas ar slāpekļa gāzi rezultātā.

Vienīgais fenomena izskaidrojums bija reakcija starp hēlija kodoliem (daļiņu un šī elementa izotopu kodolu) un slāpekli (7). Rezultātā veidojas skābeklis un ūdeņradis (protons ir vieglākā izotopa kodols). Alķīmiķu sapnis par transmutāciju ir piepildījies. Nākamajās desmitgadēs tika ražoti elementi, kas dabā nav sastopami.

Dabiski radioaktīvie preparāti, kas izstaro a-daļiņas, šim mērķim vairs nebija piemēroti (smago kodolu Kulona barjera ir pārāk liela, lai viegla daļiņa tiem pietuvotos). Paātrinātāji, kas smago izotopu kodoliem piešķir milzīgu enerģiju, izrādījās "alķīmiskās krāsnis", kurās mūsdienu ķīmiķu senči mēģināja iegūt "metālu karali" (8).

Patiesībā, kā ir ar zeltu? Alķīmiķi tā ražošanai visbiežāk izmantoja dzīvsudrabu kā izejvielu. Jāatzīst, ka šajā gadījumā viņiem bija īsts “deguns”. Pirmo reizi mākslīgais zelts tika iegūts no dzīvsudraba, kas kodolreaktorā tika apstrādāts ar neitroniem. Metāla gabals tika parādīts 1955. gadā Ženēvas atomu konferencē.

6. att. Atomi uz zelta virsmas, redzami attēlā skenējošā tuneļmikroskopā.

7. Pirmās cilvēka elementu transmutācijas shēma

Ziņa par fiziķu sasniegumu pat izraisīja īsu ažiotāžu pasaules biržās, taču sensacionālos preses ziņojumus atspēkoja informācija par šādi iegūtās rūdas cenu - tā ir daudzkārt dārgāka par dabīgo zeltu. Dārgmetālu raktuves reaktori neaizstās. Bet tajos ražotie izotopi un mākslīgie elementi (medicīnas, enerģētikas, zinātniskās pētniecības vajadzībām) ir daudz vērtīgāki par zeltu.

8. Vēsturiskais ciklotrons, kas sintezē dažus pirmos elementus pēc urāna periodiskajā tabulā (Lawrence Radiation Laboratory, Kalifornijas Universitāte, Bērklija, 1939. gada augusts)

Lasītājiem, kuri vēlas izpētīt tekstā izvirzītos jautājumus, iesaku Tomaša Sovinska kunga rakstu sēriju. Parādījās "Young Technics" 2006.-2010.gadā (sadaļā "Kā viņi atklāja"). Teksti pieejami arī autora mājaslapā: .

cikls "Ar atomu uz mūžiem» Viņš sāka ar atgādinājumu, ka pagājušo gadsimtu bieži sauca par atoma laikmetu. Protams, nevar neievērot XNUMX. gadsimta fiziķu un ķīmiķu fundamentālos sasniegumus matērijas struktūrā. Taču pēdējos gados zināšanas par mikrokosmosu paplašinās arvien straujāk, tiek izstrādātas tehnoloģijas, kas ļauj manipulēt ar atsevišķiem atomiem un molekulām. Tas dod mums tiesības teikt, ka patiesais atoma vecums vēl nav pienācis.