Με ένα άτομο μέσα στους αιώνες - μέρος 3

Το πλανητικό μοντέλο του ατόμου του Ράδερφορντ ήταν πιο κοντά στην πραγματικότητα από το «σταφιδόγαλο» του Τόμσον. Ωστόσο, η ζωή αυτής της ιδέας κράτησε μόνο δύο χρόνια, αλλά πριν μιλήσουμε για διάδοχο, ήρθε η ώρα να αποκαλύψουμε τα επόμενα ατομικά μυστικά.

1. Ισότοπα υδρογόνου: σταθερό prot και δευτέριο και ραδιενεργό τρίτιο (φωτογραφία: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

πυρηνική χιονοστιβάδα

Η ανακάλυψη του φαινομένου της ραδιενέργειας, που σηματοδότησε την αρχή της αποκάλυψης των μυστηρίων του ατόμου, απείλησε αρχικά τη βάση της χημείας - τον νόμο της περιοδικότητας. Σε σύντομο χρονικό διάστημα εντοπίστηκαν αρκετές δεκάδες ραδιενεργές ουσίες. Μερικά από αυτά είχαν τις ίδιες χημικές ιδιότητες, παρά τη διαφορετική ατομική μάζα, ενώ άλλα, με τις ίδιες μάζες, είχαν διαφορετικές ιδιότητες. Επιπλέον, στην περιοχή του περιοδικού πίνακα όπου θα έπρεπε να είχαν τοποθετηθεί λόγω του βάρους τους, δεν υπήρχε αρκετός ελεύθερος χώρος για να τους φιλοξενήσει όλους. Ο περιοδικός πίνακας χάθηκε λόγω μιας χιονοστιβάδας ανακαλύψεων.

2. Αντίγραφο του φασματόμετρου μάζας του J.J. Thompson του 1911 (φωτογραφία: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Ατομικός πυρήνας

Αυτό είναι 10-100 χιλιάδες. φορές μικρότερο από ολόκληρο το άτομο. Εάν ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου επρόκειτο να διευρυνθεί στο μέγεθος μιας μπάλας με διάμετρο 1 cm και να τοποθετηθεί στο κέντρο ενός γηπέδου ποδοσφαίρου, τότε ένα ηλεκτρόνιο (μικρότερο από μια κεφαλή καρφίτσας) θα βρισκόταν κοντά σε ένα γκολ (πάνω από 50 μ.).

Σχεδόν ολόκληρη η μάζα ενός ατόμου συγκεντρώνεται στον πυρήνα, για παράδειγμα, για τον χρυσό είναι σχεδόν 99,98%. Φανταστείτε έναν κύβο από αυτό το μέταλλο που ζυγίζει 19,3 τόνους. Ολα πυρήνες ατόμων χρυσός έχουν συνολικό όγκο μικρότερο από 1/1000 mm3 (μια μπάλα με διάμετρο μικρότερη από 0,1 mm). Επομένως, το άτομο είναι τρομερά άδειο. Οι αναγνώστες πρέπει να υπολογίσουν την πυκνότητα του βασικού υλικού.

Η λύση σε αυτό το πρόβλημα βρέθηκε το 1910 από τον Frederick Soddy. Εισήγαγε την έννοια των ισοτόπων, δηλ. ποικιλίες του ίδιου στοιχείου που διαφέρουν ως προς την ατομική τους μάζα (1). Έτσι, έθεσε υπό αμφισβήτηση ένα άλλο αξίωμα του Dalton - από εκείνη τη στιγμή, ένα χημικό στοιχείο δεν θα πρέπει πλέον να αποτελείται από άτομα της ίδιας μάζας. Η ισοτοπική υπόθεση, μετά από πειραματική επιβεβαίωση (φασματογράφος μάζας, 1911), κατέστησε επίσης δυνατή την εξήγηση των κλασματικών τιμών των ατομικών μαζών ορισμένων στοιχείων - τα περισσότερα από αυτά είναι μείγματα πολλών ισοτόπων και ατομική μάζα είναι ο σταθμισμένος μέσος όρος των μαζών όλων αυτών (2).

Στοιχεία πυρήνα

Ένας άλλος από τους μαθητές του Rutherford, ο Henry Moseley, μελέτησε τις ακτίνες Χ που εκπέμπονταν από γνωστά στοιχεία το 1913. Σε αντίθεση με τα πολύπλοκα οπτικά φάσματα, το φάσμα των ακτίνων Χ είναι πολύ απλό - κάθε στοιχείο εκπέμπει μόνο δύο μήκη κύματος, τα μήκη κύματος των οποίων συσχετίζονται εύκολα με το φορτίο του ατομικού του πυρήνα.

3. Ένα από τα μηχανήματα ακτίνων Χ που χρησιμοποιεί ο Moseley (φωτογραφία: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Αυτό επέτρεψε για πρώτη φορά να παρουσιαστεί ο πραγματικός αριθμός των υπαρχόντων στοιχείων, καθώς και να προσδιοριστεί πόσα από αυτά δεν είναι ακόμα αρκετά για να καλύψουν τα κενά στον περιοδικό πίνακα (3).

Ένα σωματίδιο που φέρει θετικό φορτίο ονομάζεται πρωτόνιο (ελληνικό πρωτόνιο = πρώτο). Άλλο ένα πρόβλημα προέκυψε αμέσως. Η μάζα ενός πρωτονίου είναι περίπου ίση με 1 μονάδα. Ενώ ατομικό πυρήνα νάτριο με φορτίο 11 μονάδες έχει μάζα 23 μονάδες; Το ίδιο βέβαια συμβαίνει και με άλλα στοιχεία. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχουν άλλα σωματίδια στον πυρήνα και να μην έχουν φορτίο. Αρχικά, οι φυσικοί υπέθεσαν ότι αυτά ήταν ισχυρά συνδεδεμένα πρωτόνια με ηλεκτρόνια, αλλά στο τέλος αποδείχθηκε ότι εμφανίστηκε ένα νέο σωματίδιο - το νετρόνιο (Λατινικά ουδέτερο = ουδέτερο). Η ανακάλυψη αυτού του στοιχειώδους σωματιδίου (τα λεγόμενα βασικά «τούβλα» που αποτελούν όλη την ύλη) έγινε το 1932 από τον Άγγλο φυσικό Τζέιμς Τσάντγουικ.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπορούν να μετατραπούν το ένα στο άλλο. Οι φυσικοί εικάζουν ότι είναι μορφές ενός σωματιδίου που ονομάζεται νουκλεόνιο (λατινικό πυρήνας = πυρήνας).

Δεδομένου ότι ο πυρήνας του απλούστερου ισοτόπου του υδρογόνου είναι ένα πρωτόνιο, μπορεί να φανεί ότι ο William Prout στην υπόθεση του «υδρογόνου» κατασκευή ατόμου δεν είχε και πολύ άδικο (βλ.: «Με το άτομο μέσα στους αιώνες - μέρος 2»· «Νέος Τεχνικός» Νο. 8/2015). Αρχικά, υπήρχαν ακόμη και διακυμάνσεις μεταξύ των ονομάτων πρωτόνιο και «πρωτόνιο».

4. Φωτοκύτταρα στο τελείωμα - η βάση της δουλειάς τους είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (φωτογραφία: Ies / Wikimedia Commons)

Δεν επιτρέπονται όλα

Το μοντέλο του Ράδερφορντ την εποχή της εμφάνισής του είχε ένα «συγγενές ελάττωμα». Σύμφωνα με τους νόμους της ηλεκτροδυναμικής του Μάξγουελ (που επιβεβαιώθηκαν από ραδιοφωνικές εκπομπές που λειτουργούσαν ήδη εκείνη την εποχή), ένα ηλεκτρόνιο που κινείται σε κύκλο πρέπει να εκπέμπει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

Έτσι, χάνει ενέργεια, με αποτέλεσμα να πέφτει στον πυρήνα. Υπό κανονικές συνθήκες, τα άτομα δεν ακτινοβολούν (τα φάσματα σχηματίζονται όταν θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες) και δεν παρατηρούνται ατομικές καταστροφές (η εκτιμώμενη διάρκεια ζωής ενός ηλεκτρονίου είναι μικρότερη από το ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου).

Το μοντέλο του Rutherford εξήγησε το αποτέλεσμα του πειράματος σκέδασης σωματιδίων, αλλά και πάλι δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα.

Το 1913, οι άνθρωποι «συνήθισαν» στο γεγονός ότι η ενέργεια στον μικρόκοσμο λαμβάνεται και αποστέλλεται όχι σε οποιαδήποτε ποσότητα, αλλά σε μερίδες, που ονομάζονται κβάντα. Σε αυτή τη βάση, ο Max Planck εξήγησε τη φύση των φασμάτων της ακτινοβολίας που εκπέμπονται από θερμαινόμενα σώματα (1900) και ο Albert Einstein (1905) τα μυστικά του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, δηλαδή την εκπομπή ηλεκτρονίων από φωτισμένα μέταλλα (4).

5. Η εικόνα περίθλασης ηλεκτρονίων σε κρύσταλλο οξειδίου του τανταλίου δείχνει τη συμμετρική δομή του (φωτογραφία: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Ο 28χρονος Δανός φυσικός Niels Bohr βελτίωσε το μοντέλο του ατόμου του Rutherford. Πρότεινε ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται μόνο σε τροχιές που πληρούν ορισμένες ενεργειακές συνθήκες. Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια δεν εκπέμπουν ακτινοβολία καθώς κινούνται, και η ενέργεια απορροφάται και εκπέμπεται μόνο όταν διακλαδίζεται μεταξύ των τροχιών. Οι υποθέσεις έρχονταν σε αντίθεση με την κλασική φυσική, αλλά τα αποτελέσματα που προέκυψαν με βάση τους (το μέγεθος του ατόμου του υδρογόνου και το μήκος των γραμμών του φάσματος του) αποδείχθηκαν συνεπή με το πείραμα. νεογέννητος μοντέλο atomu.

Δυστυχώς, τα αποτελέσματα ήταν έγκυρα μόνο για το άτομο υδρογόνου (αλλά δεν εξήγησαν όλες τις φασματικές παρατηρήσεις). Για άλλα στοιχεία, τα αποτελέσματα υπολογισμού δεν αντιστοιχούσαν στην πραγματικότητα. Έτσι, οι φυσικοί δεν είχαν ακόμη ένα θεωρητικό μοντέλο του ατόμου.

Τα μυστήρια άρχισαν να ξεκαθαρίζουν μετά από έντεκα χρόνια. Η διδακτορική διατριβή του Γάλλου φυσικού Ludwik de Broglie ασχολήθηκε με τις κυματικές ιδιότητες των υλικών σωματιδίων. Έχει ήδη αποδειχθεί ότι το φως, εκτός από τα τυπικά χαρακτηριστικά ενός κύματος (διάθλαση, διάθλαση), συμπεριφέρεται και σαν μια συλλογή σωματιδίων - φωτονίων (για παράδειγμα, ελαστικές συγκρούσεις με ηλεκτρόνια). Αλλά μαζικά αντικείμενα; Η πρόταση φαινόταν σαν ένα όνειρο για έναν πρίγκιπα που ήθελε να γίνει φυσικός. Ωστόσο, το 1927 διεξήχθη ένα πείραμα που επιβεβαίωσε την υπόθεση του de Broglie - η δέσμη ηλεκτρονίων διαθλάστηκε σε έναν μεταλλικό κρύσταλλο (5).

Από πού προήλθαν τα άτομα;

Όπως όλοι οι άλλοι: Big Bang. Οι φυσικοί πιστεύουν ότι κυριολεκτικά σε κλάσματα δευτερολέπτου από το «σημείο μηδέν» σχηματίστηκαν πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια, δηλαδή τα συστατικά άτομα. Λίγα λεπτά αργότερα (όταν το σύμπαν ψύχθηκε και η πυκνότητα της ύλης μειώθηκε), τα νουκλεόνια συγχωνεύτηκαν, σχηματίζοντας τους πυρήνες των στοιχείων εκτός του υδρογόνου. Σχηματίστηκε η μεγαλύτερη ποσότητα ηλίου, καθώς και ίχνη από τα ακόλουθα τρία στοιχεία. Μόνο μετά από 100 XNUMX Για πολλά χρόνια, οι συνθήκες επέτρεπαν στα ηλεκτρόνια να συνδεθούν με τους πυρήνες - σχηματίστηκαν τα πρώτα άτομα. Έπρεπε να περιμένω πολύ για το επόμενο. Οι τυχαίες διακυμάνσεις της πυκνότητας προκάλεσαν το σχηματισμό πυκνοτήτων, οι οποίες, όπως εμφανίζονταν, προσέλκυαν όλο και περισσότερη ύλη. Σύντομα, στο σκοτάδι του σύμπαντος, φούντωσαν τα πρώτα αστέρια.

Μετά από περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια, μερικά από αυτά άρχισαν να πεθαίνουν. Στην πορεία τους παρήγαγαν πυρήνες ατόμων μέχρι το σίδερο. Τώρα, όταν πέθαναν, τα άπλωσαν σε όλη την περιοχή και νέα αστέρια γεννήθηκαν από τις στάχτες. Οι πιο ογκώδεις από αυτούς είχαν θεαματικό τέλος. Κατά τη διάρκεια των εκρήξεων σουπερνόβα, οι πυρήνες βομβαρδίστηκαν με τόσα πολλά σωματίδια που σχηματίστηκαν ακόμη και τα πιο βαριά στοιχεία. Σχημάτισαν νέα αστέρια, πλανήτες και σε μερικές σφαίρες - ζωή.

Η ύπαρξη κυμάτων ύλης έχει αποδειχθεί. Από την άλλη πλευρά, ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο θεωρήθηκε ως στάσιμο κύμα, λόγω του οποίου δεν ακτινοβολεί ενέργεια. Οι κυματικές ιδιότητες των κινούμενων ηλεκτρονίων χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, τα οποία επέτρεψαν να δούμε τα άτομα για πρώτη φορά (6). Τα επόμενα χρόνια, το έργο του Werner Heisenberg και του Erwin Schrödinger (βάσει της υπόθεσης de Broglie) κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου των κελυφών ηλεκτρονίων του ατόμου, πλήρως βασισμένο στην εμπειρία. Αλλά αυτά είναι ερωτήματα που ξεφεύγουν από τα όρια του άρθρου.

Το όνειρο των αλχημιστών έγινε πραγματικότητα

Οι φυσικοί ραδιενεργοί μετασχηματισμοί, στους οποίους σχηματίζονται νέα στοιχεία, είναι γνωστοί από τα τέλη του 1919 αιώνα. Σε XNUMX, κάτι που μόνο η φύση ήταν ικανή μέχρι τώρα. Ο Ernest Rutherford κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ασχολήθηκε με την αλληλεπίδραση των σωματιδίων με την ύλη. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, παρατήρησε ότι τα πρωτόνια εμφανίστηκαν ως αποτέλεσμα ακτινοβολίας με αέριο άζωτο.

Η μόνη εξήγηση για το φαινόμενο ήταν η αντίδραση μεταξύ των πυρήνων ηλίου (ένα σωματίδιο και ο πυρήνας ενός ισοτόπου αυτού του στοιχείου) και του αζώτου (7). Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται οξυγόνο και υδρογόνο (ένα πρωτόνιο είναι ο πυρήνας του ελαφρύτερου ισοτόπου). Το όνειρο των αλχημιστών για μεταστοιχείωση έγινε πραγματικότητα. Τις επόμενες δεκαετίες παρήχθησαν στοιχεία που δεν συναντώνται στη φύση.

Τα φυσικά ραδιενεργά παρασκευάσματα που εκπέμπουν σωματίδια α δεν ήταν πλέον κατάλληλα για το σκοπό αυτό (το φράγμα Coulomb των βαρέων πυρήνων είναι πολύ μεγάλο για να τα πλησιάσει ένα ελαφρύ σωματίδιο). Οι επιταχυντές, που μεταδίδουν τεράστια ενέργεια στους πυρήνες των βαρέων ισοτόπων, αποδείχτηκαν «αλχημικοί κλίβανοι» στους οποίους οι πρόγονοι των σημερινών χημικών προσπάθησαν να αποκτήσουν τον «βασιλιά των μετάλλων» (8).

Στην πραγματικότητα, τι γίνεται με τον χρυσό; Οι αλχημιστές χρησιμοποιούσαν συχνότερα τον υδράργυρο ως πρώτη ύλη για την παραγωγή του. Πρέπει να παραδεχτούμε ότι σε αυτή την περίπτωση είχαν μια πραγματική «μύτη». Ήταν από τον υδράργυρο που είχε υποστεί επεξεργασία με νετρόνια σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα που ελήφθη για πρώτη φορά τεχνητός χρυσός. Το μεταλλικό κομμάτι παρουσιάστηκε το 1955 στην Ατομική Διάσκεψη της Γενεύης.

Εικ. 6. Άτομα στην επιφάνεια του χρυσού, ορατά στην εικόνα σε ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας.

7. Σχέδιο της πρώτης ανθρώπινης μεταστοιχείωσης των στοιχείων

Η είδηση ​​του επιτεύγματος των φυσικών προκάλεσε ακόμη και σύντομη αναταραχή στα παγκόσμια χρηματιστήρια, αλλά τα εντυπωσιακά δημοσιεύματα του Τύπου διαψεύστηκαν από πληροφορίες σχετικά με την τιμή του μεταλλεύματος που εξορύσσεται με αυτόν τον τρόπο - είναι πολλές φορές πιο ακριβό από τον φυσικό χρυσό. Οι αντιδραστήρες δεν θα αντικαταστήσουν το ορυχείο πολύτιμων μετάλλων. Όμως τα ισότοπα και τα τεχνητά στοιχεία που παράγονται σε αυτά (για λόγους ιατρικής, ενέργειας, επιστημονικής έρευνας) είναι πολύ πιο πολύτιμα από τον χρυσό.

8. Ιστορικό κυκλοτρόνιο που συνθέτει τα πρώτα λίγα στοιχεία μετά το ουράνιο στον περιοδικό πίνακα (Lawrence Radiation Laboratory, Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ, Αύγουστος 1939)

Για τους αναγνώστες που θα ήθελαν να εξερευνήσουν τα ζητήματα που τίθενται στο κείμενο, προτείνω μια σειρά άρθρων του κ. Tomasz Sowiński. Εμφανίστηκε στο "Young Technics" το 2006-2010 (κάτω από τον τίτλο "Πώς ανακάλυψαν"). Τα κείμενα είναι επίσης διαθέσιμα στην ιστοσελίδα του συγγραφέα στη διεύθυνση: .

Κύκλος"Με ένα άτομο για πάντα» Ξεκίνησε με μια υπενθύμιση ότι ο περασμένος αιώνας ονομαζόταν συχνά η εποχή του ατόμου. Φυσικά, δεν μπορούμε να παραλείψουμε να σημειώσουμε τα θεμελιώδη επιτεύγματα των φυσικών και χημικών του XNUMXου αιώνα στη δομή της ύλης. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, η γνώση για τον μικρόκοσμο επεκτείνεται όλο και πιο γρήγορα, αναπτύσσονται τεχνολογίες που επιτρέπουν τον χειρισμό μεμονωμένων ατόμων και μορίων. Αυτό μας δίνει το δικαίωμα να πούμε ότι η πραγματική ηλικία του ατόμου δεν έχει φτάσει ακόμη.