Med et atom gjennom tidene - del 3

Rutherfords planetmodell av atomet var nærmere virkeligheten enn Thomsons «rosinpudding». Imidlertid varte livet til dette konseptet bare i to år, men før du snakker om en etterfølger, er det på tide å avdekke de neste atomhemmelighetene.

1. Hydrogenisotoper: stabil prot og deuterium og radioaktivt tritium (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

atomskred

Oppdagelsen av fenomenet radioaktivitet, som markerte begynnelsen på å avdekke atomets mysterier, truet i utgangspunktet grunnlaget for kjemi - loven om periodisitet. I løpet av kort tid ble flere titalls radioaktive stoffer identifisert. Noen av dem hadde de samme kjemiske egenskapene, til tross for ulik atommasse, mens andre, med samme masse, hadde forskjellige egenskaper. Dessuten, i området av det periodiske systemet der de skulle ha blitt plassert på grunn av vekten, var det ikke nok ledig plass til å romme dem alle. Det periodiske system gikk tapt på grunn av et skred av funn.

2. Replika av J.J. Thompsons massespektrometer fra 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Atomkjernen

Dette er 10-100 tusen. ganger mindre enn hele atomet. Hvis kjernen til et hydrogenatom skulle forstørres til størrelsen på en ball med en diameter på 1 cm og plasseres i midten av en fotballbane, ville et elektron (mindre enn et knappenålshode) være i nærheten av et mål (over 50 m).

Nesten hele massen til et atom er konsentrert i kjernen, for eksempel for gull er det nesten 99,98%. Se for deg en kube av dette metallet som veier 19,3 tonn. Alt kjerner av atomer gull har et totalt volum på mindre enn 1/1000 mm3 (en kule med en diameter på mindre enn 0,1 mm). Derfor er atomet fryktelig tomt. Lesere må beregne tettheten til grunnmaterialet.

Løsningen på dette problemet ble funnet i 1910 av Frederick Soddy. Han introduserte begrepet isotoper, d.v.s. varianter av samme grunnstoff som er forskjellige i atommasse (1). Dermed stilte han spørsmålstegn ved et annet postulat av Dalton - fra det øyeblikket skulle et kjemisk grunnstoff ikke lenger bestå av atomer med samme masse. Den isotopiske hypotesen, etter eksperimentell bekreftelse (massespektrograf, 1911), gjorde det også mulig å forklare brøkverdiene til atommassene til noen grunnstoffer - de fleste av dem er blandinger av mange isotoper, og atommasse er det veide gjennomsnittet av massene av dem alle (2).

Kjernekomponenter

En annen student av Rutherford, Henry Moseley, studerte i 1913 røntgenstråler som ble sendt ut av kjente elementer. I motsetning til komplekse optiske spektre, er røntgenspekteret veldig enkelt - hvert element avgir bare to bølgelengder, hvis bølgelengder lett kan korreleres med ladningen til atomkjernen.

3. En av røntgenmaskinene som brukes av Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Dette gjorde det mulig for første gang å presentere det reelle antallet eksisterende grunnstoffer, samt å fastslå hvor mange av dem som fortsatt ikke er nok til å fylle hullene i det periodiske systemet (3).

En partikkel som bærer en positiv ladning kalles et proton (gresk proton = første). Et annet problem oppsto umiddelbart. Massen til et proton er omtrent lik 1 enhet. Mens atomkjernen natrium med en ladning på 11 enheter har en masse på 23 enheter? Det samme er selvfølgelig tilfellet med andre elementer. Dette betyr at det må være andre partikler tilstede i kjernen og ikke ha en ladning. I utgangspunktet antok fysikerne at dette var sterkt bundne protoner med elektroner, men til slutt ble det bevist at en ny partikkel dukket opp - nøytronet (latin nøytrum = nøytral). Oppdagelsen av denne elementærpartikkelen (de såkalte grunnleggende "mursteinene" som utgjør all materie) ble gjort i 1932 av den engelske fysikeren James Chadwick.

Protoner og nøytroner kan bli til hverandre. Fysikere spekulerer i at de er former for en partikkel kalt en nukleon (latinsk kjerne = kjerne).

Siden kjernen til den enkleste hydrogenisotopen er et proton, kan man se at William Prout i sin "hydrogen"-hypotese atomkonstruksjon han tok ikke altfor feil (se: «Med atomet gjennom tidene - del 2»; «Ung tekniker» nr. 8/2015). I utgangspunktet var det til og med svingninger mellom navnene proton og "proton".

4. Fotoceller ved mål - grunnlaget for deres arbeid er den fotoelektriske effekten (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Ikke alt er tillatt

Rutherfords modell på tidspunktet for utseendet hadde en "medfødt defekt". I henhold til Maxwells lover for elektrodynamikk (bekreftet av radiokringkasting som allerede fungerte på den tiden), skal et elektron som beveger seg i en sirkel utstråle en elektromagnetisk bølge.

Dermed mister den energi, som et resultat av at den faller på kjernen. Under normale forhold stråler ikke atomer (spektre dannes når de varmes opp til høye temperaturer) og atomkatastrofer blir ikke observert (estimert levetid for et elektron er mindre enn en milliondels sekund).

Rutherfords modell forklarte resultatet av partikkelspredningseksperimentet, men samsvarte likevel ikke med virkeligheten.

I 1913 ble folk "vant" til det faktum at energi i mikrokosmos blir tatt og sendt ikke i noen mengde, men i porsjoner, kalt kvanter. På dette grunnlaget forklarte Max Planck naturen til spektra av stråling som sendes ut av oppvarmede legemer (1900), og Albert Einstein (1905) forklarte hemmelighetene til den fotoelektriske effekten, dvs. emisjonen av elektroner fra belyste metaller (4).

5. Diffraksjonsbilde av elektroner på en tantaloksidkrystall viser dens symmetriske struktur (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Den 28 år gamle danske fysikeren Niels Bohr forbedret Rutherfords modell av atomet. Han foreslo at elektroner bare beveger seg i baner som oppfyller visse energibetingelser. I tillegg sender ikke elektroner ut stråling mens de beveger seg, og energi blir bare absorbert og sendt ut når de shuntes mellom baner. Forutsetningene var i strid med klassisk fysikk, men resultatene oppnådd på grunnlag av deres (størrelsen på hydrogenatomet og lengden på linjene i dets spektrum) viste seg å være i samsvar med eksperimentet. nyfødt modell av atomet.

Dessverre var resultatene kun gyldige for hydrogenatomet (men forklarte ikke alle de spektrale observasjonene). For andre elementer stemte ikke beregningsresultatene med virkeligheten. Dermed hadde fysikere ennå ikke en teoretisk modell av atomet.

Mysterier begynte å rydde opp etter elleve år. Doktorgradsavhandlingen til den franske fysikeren Ludwik de Broglie omhandlet materialpartiklers bølgeegenskaper. Det er allerede bevist at lys, i tillegg til de typiske egenskapene til en bølge (diffraksjon, refraksjon), også oppfører seg som en samling av partikler - fotoner (for eksempel elastiske kollisjoner med elektroner). Men masseobjekter? Forslaget virket som en drøm for en prins som ønsket å bli fysiker. I 1927 ble det imidlertid utført et eksperiment som bekreftet de Broglies hypotese – elektronstrålen diffrakterte på en metallkrystall (5).

Hvor kom atomene fra?

Som alle andre: Big Bang. Fysikere mener at det bokstavelig talt i løpet av en brøkdel av et sekund fra "nullpunkt"-protonene ble dannet nøytroner og elektroner, det vil si de inngående atomene. Noen minutter senere (da universet ble avkjølt og tettheten av materie sank), smeltet nukleonene sammen og dannet kjernene til andre elementer enn hydrogen. Den største mengden helium ble dannet, samt spor av følgende tre grunnstoffer. Først etter 100 XNUMX I mange år tillot forholdene elektroner å binde seg til kjerner - de første atomene ble dannet. Jeg måtte vente lenge på neste. Tilfeldige svingninger i tetthet forårsaket dannelsen av tettheter, som, ettersom de dukket opp, tiltrakk seg mer og mer materie. Snart, i universets mørke, blusset de første stjernene opp.

Etter omtrent en milliard år begynte noen av dem å dø. På kurset deres produserte de kjerner av atomer ned til jern. Nå, da de døde, spredte de dem over hele regionen, og nye stjerner ble født fra asken. De mest massive av dem hadde en spektakulær avslutning. Under supernovaeksplosjoner ble kjernene bombardert med så mange partikler at selv de tyngste grunnstoffene ble dannet. De dannet nye stjerner, planeter og på noen jordkloder - liv.

Eksistensen av materiebølger er bevist. På den annen side ble et elektron i et atom betraktet som en stående bølge, på grunn av hvilken det ikke utstråler energi. Bølgeegenskapene til bevegelige elektroner ble brukt til å lage elektronmikroskoper, som gjorde det mulig å se atomer for første gang (6). I de påfølgende årene gjorde arbeidet til Werner Heisenberg og Erwin Schrödinger (på grunnlag av de Broglie-hypotesen) det mulig å utvikle en ny modell av atomets elektronskall, fullstendig basert på erfaring. Men dette er spørsmål utenfor rammen av artikkelen.

Alkymistenes drøm gikk i oppfyllelse

Naturlige radioaktive transformasjoner, der nye grunnstoffer dannes, har vært kjent siden slutten av 1919-tallet. I XNUMX, noe som bare naturen har vært i stand til til nå. Ernest Rutherford var i denne perioden engasjert i samspillet mellom partikler og materie. Under testene la han merke til at protonene dukket opp som et resultat av bestråling med nitrogengass.

Den eneste forklaringen på fenomenet var reaksjonen mellom heliumkjerner (en partikkel og kjernen til en isotop av dette grunnstoffet) og nitrogen (7). Som et resultat dannes oksygen og hydrogen (et proton er kjernen til den letteste isotopen). Alkymistenes drøm om transmutasjon har gått i oppfyllelse. I de påfølgende tiårene ble det produsert elementer som ikke finnes i naturen.

Naturlige radioaktive preparater som sender ut a-partikler var ikke lenger egnet for dette formålet (Coulomb-barrieren for tunge kjerner er for stor til at en lett partikkel kan nærme seg dem). Akseleratorene, som ga enorm energi til kjernene til tunge isotoper, viste seg å være "alkymiske ovner", der forfedrene til dagens kjemikere forsøkte å skaffe seg "metallens konge" (8).

Hva med gull egentlig? Alkymister brukte oftest kvikksølv som råmateriale for produksjonen. Det må innrømmes at de i dette tilfellet hadde en ekte "nese". Det var fra kvikksølv behandlet med nøytroner i en atomreaktor at kunstig gull først ble oppnådd. Metallstykket ble vist i 1955 på atomkonferansen i Genève.

Fig. 6. Atomer på overflaten av gull, synlig på bildet i et skanningstunnelmikroskop.

7. Opplegg for den første menneskelige transmutasjonen av elementene

Nyheten om fysikernes bragd vakte til og med kort oppsikt på verdens børser, men de oppsiktsvekkende pressemeldingene ble tilbakevist av informasjon om prisen på malmen som ble utvunnet på denne måten - den er mange ganger dyrere enn naturlig gull. Reaktorer vil ikke erstatte edelmetallgruven. Men isotopene og de kunstige elementene som produseres i dem (for medisin, energi, vitenskapelig forskning) er mye mer verdifulle enn gull.

8. Historisk syklotron som syntetiserer de første grunnstoffene etter uran i det periodiske systemet (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, august 1939)

For lesere som ønsker å utforske spørsmålene som tas opp i teksten, anbefaler jeg en serie artikler av Tomasz Sowiński. Dukket opp i "Young Technics" i 2006-2010 (under overskriften "Hvordan de oppdaget"). Tekstene er også tilgjengelige på forfatterens hjemmeside på: .

Syklus"Med et atom i evigheter» Han begynte med en påminnelse om at forrige århundre ofte ble kalt atomets tidsalder. Selvfølgelig kan man ikke unngå å legge merke til de grunnleggende prestasjonene til fysikere og kjemikere i det XNUMX. århundre i materiens struktur. Men de siste årene har kunnskapen om mikrokosmos utvidet seg raskere og raskere, teknologier utvikles som gjør det mulig å manipulere individuelle atomer og molekyler. Dette gir oss rett til å si at atomets virkelige alder ennå ikke har kommet.