Sa pamamagitan ng isang atom sa buong panahon - bahagi 3

Ang planetaryong modelo ng atom ni Rutherford ay mas malapit sa realidad kaysa sa "raisin pudding" ni Thomson. Gayunpaman, ang buhay ng konseptong ito ay tumagal lamang ng dalawang taon, ngunit bago pag-usapan ang tungkol sa isang kahalili, oras na upang malutas ang susunod na mga lihim ng atomic.

1. Hydrogen isotopes: stable prot at deuterium at radioactive tritium (larawan: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

nuclear avalanche

Ang pagtuklas ng kababalaghan ng radioactivity, na minarkahan ang simula ng pag-unraveling ng mga misteryo ng atom, sa una ay nagbanta sa batayan ng kimika - ang batas ng periodicity. Sa maikling panahon, ilang dosenang radioactive substance ang natukoy. Ang ilan sa kanila ay may parehong mga katangian ng kemikal, sa kabila ng magkakaibang masa ng atom, habang ang iba, na may parehong masa, ay may iba't ibang mga katangian. Bukod dito, sa lugar ng periodic table kung saan dapat sila ay inilagay dahil sa kanilang timbang, walang sapat na libreng espasyo upang mapaunlakan silang lahat. Ang periodic table ay nawala dahil sa isang avalanche ng mga pagtuklas.

2. Replika ng mass spectrometer ni J.J. Thompson noong 1911 (larawan: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

atomic nucleus

Ito ay 10-100 thousand. beses na mas maliit kaysa sa buong atom. Kung ang nucleus ng isang hydrogen atom ay palakihin sa laki ng bola na may diameter na 1 cm at ilagay sa gitna ng isang football field, kung gayon ang isang electron (mas maliit kaysa sa pinhead) ay nasa paligid ng isang layunin. (mahigit sa 50 m).

Halos ang buong masa ng isang atom ay puro sa nucleus, halimbawa, para sa ginto ito ay halos 99,98%. Isipin ang isang kubo ng metal na ito na tumitimbang ng 19,3 tonelada. Lahat nuclei ng mga atomo ang ginto ay may kabuuang volume na mas mababa sa 1/1000 mm3 (isang bola na may diameter na mas mababa sa 0,1 mm). Samakatuwid, ang atom ay lubhang walang laman. Dapat kalkulahin ng mga mambabasa ang density ng base material.

Ang solusyon sa problemang ito ay natagpuan noong 1910 ni Frederick Soddy. Ipinakilala niya ang konsepto ng isotopes, i.e. varieties ng parehong elemento na naiiba sa kanilang atomic mass (1). Kaya, siya ay nagtanong sa isa pang postulate ng Dalton - mula sa sandaling iyon, ang isang elemento ng kemikal ay hindi na dapat binubuo ng mga atomo ng parehong masa. Ang isotope hypothesis, pagkatapos ng eksperimentong kumpirmasyon (mass spectrograph, 1911), ay naging posible na ipaliwanag ang mga fractional na halaga ng mga atomic na masa ng ilang mga elemento - karamihan sa kanila ay mga pinaghalong maraming isotopes, at atomic mass ay ang weighted average ng masa ng lahat ng mga ito (2).

Mga Bahagi ng Kernel

Ang isa pang estudyante ni Rutherford, si Henry Moseley, ay nag-aral ng X-ray na ibinubuga ng mga kilalang elemento noong 1913. Hindi tulad ng kumplikadong optical spectra, ang X-ray spectrum ay napakasimple - ang bawat elemento ay naglalabas lamang ng dalawang wavelength, ang mga wavelength na madaling nakakaugnay sa singil ng atomic nucleus nito.

3. Isa sa mga X-ray machine na ginamit ni Moseley (larawan: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Ginawa nitong posible sa unang pagkakataon na ipakita ang tunay na bilang ng mga umiiral na elemento, gayundin upang matukoy kung ilan sa mga ito ang hindi pa rin sapat upang punan ang mga puwang sa periodic table (3).

Ang isang particle na may positibong singil ay tinatawag na proton (Greek proton = una). Ang isa pang problema ay agad na lumitaw. Ang masa ng isang proton ay humigit-kumulang katumbas ng 1 yunit. Samantalang atomic nucleus Ang sodium na may singil na 11 unit ay may mass na 23 units? Ang parehong, siyempre, ay ang kaso sa iba pang mga elemento. Nangangahulugan ito na dapat mayroong iba pang mga particle na naroroon sa nucleus at walang singil. Sa una, ipinapalagay ng mga physicist na ang mga ito ay mahigpit na nakagapos sa mga proton na may mga electron, ngunit sa huli ay napatunayan na may lumitaw na bagong particle - ang neutron (Latin neuter = neutral). Ang pagtuklas ng elementarya na particle na ito (ang tinatawag na pangunahing "mga brick" na bumubuo sa lahat ng bagay) ay ginawa noong 1932 ng Ingles na pisiko na si James Chadwick.

Ang mga proton at neutron ay maaaring maging isa't isa. Iniisip ng mga physicist na sila ay mga anyo ng isang particle na tinatawag na nucleon (Latin nucleus = nucleus).

Dahil ang nucleus ng pinakasimpleng hydrogen isotope ay isang proton, makikita na si William Prout sa kanyang "hydrogen" hypothesis pagbuo ng atom hindi siya masyadong mali (tingnan ang: "With the atom through the ages - part 2"; "Young Technician" No. 8/2015). Sa una, nagkaroon pa nga ng pagbabago sa pagitan ng mga pangalang proton at "proton".

4. Photocells sa pagtatapos - ang batayan ng kanilang trabaho ay ang photoelectric effect (larawan: Ies / Wikimedia Commons)

Hindi lahat ay pinapayagan

Ang modelo ni Rutherford sa oras ng paglitaw nito ay may "congenital defect". Ayon sa mga batas ng electrodynamics ni Maxwell (na kinumpirma ng radio broadcasting na gumagana na sa oras na iyon), ang isang electron na gumagalaw sa isang bilog ay dapat mag-radiate ng electromagnetic wave.

Kaya, nawalan ito ng enerhiya, bilang isang resulta kung saan ito ay nahuhulog sa nucleus. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang mga atom ay hindi nag-radiate (nabubuo ang spectra kapag pinainit sa mataas na temperatura) at ang mga atomic na sakuna ay hindi naobserbahan (ang tinantyang buhay ng isang electron ay mas mababa sa isang milyon ng isang segundo).

Ipinaliwanag ng modelo ni Rutherford ang resulta ng eksperimento sa pagkalat ng butil, ngunit hindi pa rin tumutugma sa katotohanan.

Noong 1913, ang mga tao ay "nasanay" sa katotohanan na ang enerhiya sa microcosm ay kinuha at ipinadala hindi sa anumang dami, ngunit sa mga bahagi na tinatawag na quanta. Sa batayan na ito, ipinaliwanag ni Max Planck ang likas na katangian ng spectra ng radiation na ibinubuga ng mga pinainit na katawan (1900), at ipinaliwanag ni Albert Einstein (1905) ang mga lihim ng photoelectric effect, ibig sabihin, ang paglabas ng mga electron ng mga iluminadong metal (4).

5. Ang diffraction na imahe ng mga electron sa isang tantalum oxide crystal ay nagpapakita ng simetriko na istraktura nito (larawan: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Pinahusay ng 28-anyos na Danish na pisiko na si Niels Bohr ang modelo ng atom ni Rutherford. Iminungkahi niya na ang mga electron ay gumagalaw lamang sa mga orbit na nakakatugon sa ilang mga kondisyon ng enerhiya. Bilang karagdagan, ang mga electron ay hindi naglalabas ng radiation habang sila ay gumagalaw, at ang enerhiya ay hinihigop at inilalabas lamang kapag umiiwas sa pagitan ng mga orbit. Ang mga pagpapalagay ay sumasalungat sa klasikal na pisika, ngunit ang mga resulta na nakuha sa kanilang batayan (ang laki ng hydrogen atom at ang haba ng mga linya ng spectrum nito) ay naging pare-pareho sa eksperimento. bagong panganak modelo atomu.

Sa kasamaang palad, ang mga resulta ay wasto lamang para sa hydrogen atom (ngunit hindi ipinaliwanag ang lahat ng parang multo na obserbasyon). Para sa iba pang mga elemento, ang mga resulta ng pagkalkula ay hindi tumutugma sa katotohanan. Kaya, ang mga physicist ay wala pang teoretikal na modelo ng atom.

Ang mga misteryo ay nagsimulang lumiwanag pagkatapos ng labing-isang taon. Ang disertasyon ng doktor ng Pranses na pisisista na si Ludwik de Broglie ay tumalakay sa mga katangian ng alon ng mga materyal na particle. Napatunayan na na ang liwanag, bilang karagdagan sa mga tipikal na katangian ng isang alon (diffraction, repraksyon), ay kumikilos din tulad ng isang koleksyon ng mga particle - mga photon (halimbawa, nababanat na banggaan sa mga electron). Ngunit mass object? Ang palagay ay tila isang pipe dream para sa isang prinsipe na gustong maging isang physicist. Gayunpaman, noong 1927 isang eksperimento ang isinagawa na nagkumpirma sa hypothesis ni de Broglie - ang electron beam ay nagdiffracte sa isang metal na kristal (5).

Saan nagmula ang mga atomo?

Tulad ng iba: Big Bang. Naniniwala ang mga physicist na literal sa isang fraction ng isang segundo mula sa "zero point" na mga proton, neutron at electron, iyon ay, ang mga constituent atoms, ay nabuo. Pagkalipas ng ilang minuto (nang lumamig ang uniberso at bumaba ang density ng bagay), nagsanib ang mga nucleon, na bumubuo ng nuclei ng mga elemento maliban sa hydrogen. Ang pinakamalaking halaga ng helium ay nabuo, pati na rin ang mga bakas ng sumusunod na tatlong elemento. Pagkatapos lamang ng 100 XNUMX Sa loob ng maraming taon, pinahintulutan ng mga kondisyon ang mga electron na magbigkis sa nuclei - nabuo ang mga unang atomo. Kinailangan kong maghintay ng mahabang panahon para sa susunod. Ang mga random na pagbabagu-bago sa density ay nagdulot ng pagbuo ng mga densidad, na, sa kanilang paglitaw, ay nakakaakit ng higit pa at mas maraming bagay. Di-nagtagal, sa kadiliman ng sansinukob, ang mga unang bituin ay sumiklab.

Pagkaraan ng halos isang bilyong taon, ang ilan sa kanila ay nagsimulang mamatay. Sa kanilang kurso ay ginawa nila nuclei ng mga atomo hanggang sa bakal. Ngayon, nang mamatay sila, ikinalat nila ang mga ito sa buong rehiyon, at ang mga bagong bituin ay ipinanganak mula sa abo. Ang pinaka-massive sa kanila ay nagkaroon ng isang kamangha-manghang pagtatapos. Sa panahon ng mga pagsabog ng supernova, ang nuclei ay binomba ng napakaraming mga particle na kahit na ang pinakamabibigat na elemento ay nabuo. Nakabuo sila ng mga bagong bituin, planeta, at sa ilang globo - buhay.

Napatunayan na ang pagkakaroon ng matter waves. Sa kabilang banda, ang isang electron sa isang atom ay itinuturing bilang isang nakatayong alon, dahil sa kung saan hindi ito nagpapalabas ng enerhiya. Ang mga katangian ng alon ng gumagalaw na mga electron ay ginamit upang lumikha ng mga mikroskopyo ng elektron, na naging posible upang makita ang mga atomo sa unang pagkakataon (6). Sa mga sumunod na taon, ginawang posible ng gawain nina Werner Heisenberg at Erwin Schrödinger (batay sa hypothesis ng de Broglie) na bumuo ng isang bagong modelo ng mga shell ng elektron ng atom, na ganap na nakabatay sa karanasan. Ngunit ito ay mga tanong na lampas sa saklaw ng artikulo.

Natupad ang pangarap ng mga alchemist

Ang mga natural na radioactive na pagbabago, kung saan nabuo ang mga bagong elemento, ay kilala mula noong katapusan ng ika-1919 na siglo. Noong XNUMX, isang bagay na likas lamang ang kayang gawin hanggang ngayon. Si Ernest Rutherford sa panahong ito ay nakikibahagi sa pakikipag-ugnayan ng mga particle sa bagay. Sa panahon ng mga pagsubok, napansin niya na ang mga proton ay lumitaw bilang isang resulta ng pag-iilaw sa nitrogen gas.

Ang tanging paliwanag para sa hindi pangkaraniwang bagay ay ang reaksyon sa pagitan ng helium nuclei (isang particle at ang nucleus ng isotope ng elementong ito) at nitrogen (7). Bilang resulta, nabuo ang oxygen at hydrogen (isang proton ang nucleus ng pinakamagaan na isotope). Ang pangarap ng mga alchemist na transmutation ay natupad. Sa mga sumunod na dekada, ang mga elemento ay ginawa na hindi matatagpuan sa kalikasan.

Ang mga natural na radioactive na paghahanda na naglalabas ng a-particle ay hindi na angkop para sa layuning ito (ang Coulomb barrier ng mabigat na nuclei ay masyadong malaki para sa isang maliit na butil na lumapit sa kanila). Ang mga accelerators, na nagbibigay ng napakalaking enerhiya sa nuclei ng mabibigat na isotopes, ay naging "alchemical furnaces", kung saan sinubukan ng mga ninuno ng mga chemist ngayon na makuha ang "hari ng mga metal" (8).

Sa totoo lang, ano ang tungkol sa ginto? Ang mga alchemist ay kadalasang gumagamit ng mercury bilang isang hilaw na materyal para sa paggawa nito. Dapat aminin na sa kasong ito mayroon silang isang tunay na "ilong". Ito ay mula sa mercury na ginagamot sa mga neutron sa isang nuclear reactor na unang nakuha ang artipisyal na ginto. Ang piraso ng metal ay ipinakita noong 1955 sa Geneva Atomic Conference.

Fig. 6. Mga atomo sa ibabaw ng ginto, nakikita sa imahe sa isang scanning tunneling microscope.

7. Scheme ng unang transmutation ng tao ng mga elemento

Ang balita ng tagumpay ng mga physicist ay nagdulot pa ng maikling kaguluhan sa mga palitan ng stock sa mundo, ngunit ang mga kahindik-hindik na ulat ng press ay pinabulaanan ng impormasyon tungkol sa presyo ng mineral na minahan sa ganitong paraan - ito ay maraming beses na mas mahal kaysa sa natural na ginto. Hindi papalitan ng mga reactor ang mahalagang minahan ng metal. Ngunit ang mga isotopes at artipisyal na elemento na ginawa sa kanila (para sa mga layunin ng gamot, enerhiya, siyentipikong pananaliksik) ay mas mahalaga kaysa sa ginto.

8. Historic cyclotron synthesizing ang unang ilang elemento pagkatapos ng uranium sa periodic table (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, Agosto 1939)

Para sa mga mambabasa na gustong tuklasin ang mga isyung itinaas sa teksto, inirerekomenda ko ang isang serye ng mga artikulo ni G. Tomasz Sowiński. Lumitaw sa "Young Technics" noong 2006-2010 (sa ilalim ng pamagat na "Paano nila natuklasan"). Ang mga teksto ay makukuha rin sa website ng may-akda sa: .

Ikot"Sa isang atom para sa mga edad» Nagsimula siya sa isang paalala na ang nakalipas na siglo ay madalas na tinatawag na edad ng atom. Siyempre, hindi mabibigo ang isang tao na tandaan ang mga pangunahing tagumpay ng mga physicist at chemist noong ika-XNUMX na siglo sa istruktura ng bagay. Gayunpaman, sa mga nakaraang taon, ang kaalaman tungkol sa microcosm ay lumalawak nang mas mabilis at mas mabilis, ang mga teknolohiya ay binuo na nagbibigay-daan sa pagmamanipula ng mga indibidwal na atom at molekula. Ito ay nagbibigay sa atin ng karapatang sabihin na ang tunay na edad ng atom ay hindi pa dumarating.