S atomom kroz vjekove - 3. dio

Rutherfordov planetarni model atoma bio je bliži stvarnosti nego Thomsonov "puding od grožđica". No, život ovog koncepta trajao je samo dvije godine, ali prije nego što se priča o nasljedniku, vrijeme je da se razotkriju sljedeće atomske tajne.

1. Izotopi vodika: stabilni prot i deuterij i radioaktivni tricij (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

nuklearna lavina

Otkriće fenomena radioaktivnosti, koje je označilo početak razotkrivanja misterija atoma, u početku je ugrozilo osnovu kemije – zakon periodičnosti. U kratkom vremenu identificirano je nekoliko desetaka radioaktivnih tvari. Neki od njih imali su ista kemijska svojstva, unatoč različitoj atomskoj masi, dok su drugi, s istim masama, imali različita svojstva. Štoviše, u području periodnog sustava gdje su zbog svoje težine trebali biti postavljeni, nije bilo dovoljno slobodnog prostora da ih sve primi. Periodični sustav je izgubljen zbog lavine otkrića.

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

atomska jezgra

Ovo je 10-100 tisuća. puta manji od cijelog atoma. Ako bi se jezgra atoma vodika povećala na veličinu lopte promjera 1 cm i stavila u središte nogometnog igrališta, tada bi se elektron (manji od glave igle) našao u blizini gola (preko 50 m).

Gotovo cijela masa atoma koncentrirana je u jezgri, na primjer, za zlato je gotovo 99,98%. Zamislite kocku ovog metala tešku 19,3 tone. svi jezgre atoma zlata imaju ukupni volumen manji od 1/1000 mm3 (kugla promjera manjeg od 0,1 mm). Stoga je atom užasno prazan. Čitatelji moraju izračunati gustoću osnovnog materijala.

Rješenje za ovaj problem pronašao je 1910. Frederick Soddy. Uveo je pojam izotopa, tj. varijante istog elementa koje se razlikuju po svojoj atomskoj masi (1). Time je doveo u pitanje još jedan Daltonov postulat - od tog trenutka nadalje, kemijski element se više ne bi trebao sastojati od atoma iste mase. Izotopska hipoteza, nakon eksperimentalne potvrde (spektrograf mase, 1911.), također je omogućila objašnjenje frakcijskih vrijednosti atomskih masa nekih elemenata - većina njih su mješavine mnogih izotopa, a atomska masa je ponderirani prosjek masa svih njih (2).

Komponente kernela

Drugi Rutherfordov učenik, Henry Moseley, 1913. proučavao je X-zrake koje emitiraju poznati elementi. Za razliku od složenih optičkih spektra, rendgenski spektar je vrlo jednostavan – svaki element emitira samo dvije valne duljine čije se valne duljine lako povezuju s nabojem njegove atomske jezgre.

3. Jedan od rendgenskih aparata koje koristi Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Time je po prvi put omogućeno da se prikaže stvarni broj postojećih elemenata, kao i da se utvrdi koliko ih još uvijek nije dovoljno za popunjavanje praznina u periodnom sustavu (3).

Čestica koja nosi pozitivan naboj naziva se proton (grčki proton = prvi). Odmah se pojavio još jedan problem. Masa protona je približno jednaka 1 jedinici. Dok atomska jezgra natrij s nabojem od 11 jedinica ima masu od 23 jedinice? Isti je, naravno, slučaj i s ostalim elementima. To znači da u jezgri moraju postojati druge čestice koje nemaju naboj. U početku su fizičari pretpostavljali da se radi o čvrsto vezanim protonima s elektronima, no na kraju se pokazalo da se pojavila nova čestica - neutron (latinski neuter = neutralan). Do otkrića ove elementarne čestice (tzv. osnovne "cigle" od koje se sastoji sva materija) došao je 1932. godine engleski fizičar James Chadwick.

Protoni i neutroni mogu se pretvoriti jedni u druge. Fizičari nagađaju da su to oblici čestice zvane nukleon (latinski nucleus = jezgra).

Budući da je jezgra najjednostavnijeg izotopa vodika proton, može se vidjeti da je William Prout u svojoj hipotezi o "vodiku" atomska konstrukcija nije previše pogriješio (vidi: “S atomom kroz vjekove - 2. dio”; “Mladi tehničar” br. 8/2015.). U početku je čak bilo kolebanja između naziva proton i "proton".

4. Fotoćelije na cilju - osnova njihovog rada je fotoelektrični efekt (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Nije sve dopušteno

Rutherfordov model u trenutku pojavljivanja imao je "urođenu manu". Prema Maxwellovim zakonima elektrodinamike (potvrđenim radijskim emitiranjem koje je u to vrijeme već funkcioniralo), elektron koji se kreće u krug trebao bi zračiti elektromagnetski val.

Tako gubi energiju, uslijed čega pada na jezgru. U normalnim uvjetima atomi ne zrače (spektri nastaju pri zagrijavanju na visoke temperature) i atomske katastrofe se ne opažaju (procijenjeni životni vijek elektrona manji je od milijuntinke sekunde).

Rutherfordov model objasnio je rezultat pokusa raspršenja čestica, ali još uvijek nije odgovarao stvarnosti.

Godine 1913. ljudi su se "navikli" na činjenicu da se energija u mikrokozmosu uzima i šalje ne u bilo kojoj količini, već u porcijama koje se nazivaju kvanti. Na temelju toga je Max Planck objasnio prirodu spektra zračenja koje emitiraju zagrijana tijela (1900), a Albert Einstein (1905) objasnio je tajne fotoelektričnog efekta, tj. emisije elektrona osvijetljenim metalima (4).

5. Difrakcijska slika elektrona na kristalu tantal oksida pokazuje njegovu simetričnu strukturu (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-godišnji danski fizičar Niels Bohr poboljšao je Rutherfordov model atoma. Predložio je da se elektroni kreću samo u orbitama koje zadovoljavaju određene energetske uvjete. Osim toga, elektroni ne emitiraju zračenje dok se kreću, a energija se apsorbira i emitira samo kada se prebacuje između orbita. Pretpostavke su bile u suprotnosti s klasičnom fizikom, ali rezultati dobiveni na njihovoj osnovi (veličina atoma vodika i duljina linija njegovog spektra) su se pokazali u skladu s eksperimentom. novorođenče model atoma.

Nažalost, rezultati su vrijedili samo za atom vodika (ali nisu objasnili sva spektralna opažanja). Za ostale elemente rezultati izračuna nisu odgovarali stvarnosti. Dakle, fizičari još nisu imali teorijski model atoma.

Misterije su se počele razjašnjavati nakon jedanaest godina. Doktorska disertacija francuskog fizičara Ludwika de Brogliea bavila se valnim svojstvima materijalnih čestica. Već je dokazano da se svjetlost, osim tipičnih svojstava vala (difrakcija, lom), ponaša i kao skup čestica - fotona (primjerice, elastični sudari s elektronima). Ali masovni objekti? Taj se prijedlog činio kao pusti san za princa koji je želio postati fizičar. Međutim, 1927. godine izveden je pokus koji je potvrdio de Broglieovu hipotezu - snop elektrona se difragirao na metalnom kristalu (5).

Odakle su došli atomi?

Kao i svi drugi: Big Bang. Fizičari vjeruju da su doslovno u djeliću sekunde od "nulte točke" nastali protoni, neutroni i elektroni, odnosno sastavni atomi. Nekoliko minuta kasnije (kada se svemir ohladio i gustoća materije smanjila), nukleoni su se spojili, formirajući jezgre drugih elemenata osim vodika. Nastala je najveća količina helija, kao i tragovi sljedeća tri elementa. Tek nakon 100 XNUMX Dugi niz godina uvjeti su omogućili da se elektroni vežu na jezgre - formirani su prvi atomi. Morao sam dugo čekati na sljedeći. Nasumične fluktuacije gustoće uzrokovale su stvaranje gustoća, koje su, kako su se pojavile, privlačile sve više i više materije. Ubrzo su u tami svemira planule prve zvijezde.

Nakon otprilike milijardu godina, neki od njih su počeli umirati. U svom su tijeku proizvodili jezgre atoma sve do željeza. Sada, kada su umrli, raširili su ih po regiji, a iz pepela su se rodile nove zvijezde. Najmasovniji od njih imao je spektakularan kraj. Tijekom eksplozije supernove jezgre su bile bombardirane s toliko čestica da su nastali čak i najteži elementi. Formirali su nove zvijezde, planete, a na nekim kuglama i život.

Dokazano je postojanje valova materije. S druge strane, elektron u atomu smatran je stajaćim valom, zbog čega ne zrači energiju. Valovna svojstva pokretnih elektrona korištena su za izradu elektronskih mikroskopa, koji su omogućili prvi put vidjeti atome (6). Sljedećih godina, rad Wernera Heisenberga i Erwina Schrödingera (na temelju de Broglieove hipoteze) omogućio je razvoj novog modela elektronskih ljuski atoma, u potpunosti utemeljenog na iskustvu. Ali to su pitanja izvan okvira članka.

San alkemičara se ostvario

Prirodne radioaktivne transformacije, u kojima nastaju novi elementi, poznate su od kraja 1919. stoljeća. U XNUMX, nešto za što je do sada bila sposobna samo priroda. Ernest Rutherford se tijekom tog razdoblja bavio interakcijom čestica s materijom. Tijekom testiranja primijetio je da se protoni pojavljuju kao posljedica zračenja plinovitim dušikom.

Jedino objašnjenje za ovaj fenomen bila je reakcija između jezgri helija (čestica i jezgre izotopa ovog elementa) i dušika (7). Kao rezultat, nastaju kisik i vodik (proton je jezgra najlakšeg izotopa). Ostvario se san alkemičara o transmutaciji. U sljedećim desetljećima nastali su elementi koji se ne nalaze u prirodi.

Prirodni radioaktivni pripravci koji emitiraju a-čestice više nisu bili prikladni za tu svrhu (Coulombova barijera teških jezgri prevelika je da bi im se laka čestica približila). Akceleratori, koji su davali ogromnu energiju jezgrama teških izotopa, pokazali su se "alkemijskim pećima", u kojima su preci današnjih kemičara pokušavali dobiti "kralja metala" (8).

Zapravo, što je sa zlatom? Alkemičari su najčešće koristili živu kao sirovinu za njezinu proizvodnju. Mora se priznati da su u ovom slučaju imali pravi "nos". Upravo je od žive tretirane neutronima u nuklearnom reaktoru prvo dobiveno umjetno zlato. Metalni komad prikazan je 1955. na Ženevskoj atomskoj konferenciji.

Slika 6. Atomi na površini zlata, vidljivi na slici u skenirajućem tunelskom mikroskopu.

7. Shema prve ljudske transmutacije elemenata

Vijest o postignuću fizičara izazvala je kratko uzbuđenje na svjetskim burzama, no senzacionalne novinske napise opovrgnula je informacija o cijeni tako iskopane rude - višestruko je skuplja od prirodnog zlata. Reaktori neće zamijeniti rudnik plemenitih metala. Ali izotopi i umjetni elementi koji se u njima proizvode (za potrebe medicine, energetike, znanstvenih istraživanja) mnogo su vrjedniji od zlata.

8. Povijesni ciklotron koji sintetizira prvih nekoliko elemenata nakon urana u periodnom sustavu (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, kolovoz 1939.)

Za čitatelje koji bi željeli istražiti pitanja pokrenuta u tekstu, preporučujem seriju članaka gospodina Tomasza Sowińskog. Pojavio se u "Mladoj tehnici" 2006-2010 (pod naslovom "Kako su otkrili"). Tekstovi su dostupni i na web stranici autora: .

ciklus "S atomom stoljećima» Započeo je podsjećanjem da se prošlo stoljeće često nazivalo dobom atoma. Naravno, ne može se ne primijetiti temeljna dostignuća fizičara i kemičara iz XNUMX. stoljeća u strukturi materije. Međutim, posljednjih godina znanje o mikrokozmosu se širi sve brže, razvijaju se tehnologije koje omogućuju manipulaciju pojedinačnim atomima i molekulama. To nam daje za pravo reći da stvarna starost atoma još nije stigla.