Med et atom gennem tiderne - del 3

Rutherfords planetariske model af atomet var tættere på virkeligheden end Thomsons "rosinbudding". Dette koncepts levetid varede dog kun to år, men før man taler om en efterfølger, er det tid til at optrevle de næste atomhemmeligheder.

1. Brintisotoper: stabilt prot og deuterium og radioaktivt tritium (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

atomskred

Opdagelsen af ​​fænomenet radioaktivitet, som markerede begyndelsen på at optrevle atomets mysterier, truede oprindeligt grundlaget for kemi - loven om periodicitet. På kort tid blev flere dusin radioaktive stoffer identificeret. Nogle af dem havde de samme kemiske egenskaber, på trods af den forskellige atommasse, mens andre, med samme masser, havde forskellige egenskaber. Desuden var der i området af det periodiske system, hvor de skulle have været placeret på grund af deres vægt, ikke nok ledig plads til at rumme dem alle. Det periodiske system gik tabt på grund af en lavine af opdagelser.

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

Atomkerne

Det er 10-100 tusind. gange mindre end hele atomet. Hvis kernen i et brintatom skulle forstørres til størrelsen af ​​en bold med en diameter på 1 cm og placeres i midten af ​​en fodboldbane, så ville en elektron (mindre end et knappenålshoved) være i nærheden af ​​et mål (over 50 m).

Næsten hele massen af ​​et atom er koncentreret i kernen, for eksempel er det for guld næsten 99,98%. Forestil dig en terning af dette metal, der vejer 19,3 tons. Alt kerner af atomer guld har et samlet volumen på mindre end 1/1000 mm3 (en kugle med en diameter på mindre end 0,1 mm). Derfor er atomet frygteligt tomt. Læsere skal beregne tætheden af ​​grundmaterialet.

Løsningen på dette problem blev fundet i 1910 af Frederick Soddy. Han introducerede begrebet isotoper, dvs. varianter af det samme grundstof, der adskiller sig i deres atommasse (1). Dermed satte han spørgsmålstegn ved et andet postulat af Dalton - fra det øjeblik skulle et kemisk grundstof ikke længere bestå af atomer af samme masse. Den isotopiske hypotese, efter eksperimentel bekræftelse (massespektrograf, 1911), gjorde det også muligt at forklare brøkværdierne af atommasserne af nogle grundstoffer - de fleste af dem er blandinger af mange isotoper, og atommasse er det vægtede gennemsnit af masserne af dem alle (2).

Kernelkomponenter

En anden af ​​Rutherfords elever, Henry Moseley, studerede røntgenstråler udsendt af kendte elementer i 1913. I modsætning til komplekse optiske spektre er røntgenspektret meget simpelt - hvert element udsender kun to bølgelængder, hvis bølgelængder let korreleres med ladningen af ​​dets atomkerne.

3. En af de røntgenapparater, som Moseley bruger (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Dette gjorde det muligt for første gang at præsentere det reelle antal af eksisterende grundstoffer, samt at bestemme, hvor mange af dem der stadig ikke er nok til at udfylde hullerne i det periodiske system (3).

En partikel med en positiv ladning kaldes en proton (græsk proton = første). Et andet problem opstod straks. Massen af ​​en proton er omtrent lig med 1 enhed. Hvorimod atomkerne natrium med en ladning på 11 enheder har en masse på 23 enheder? Det samme er naturligvis tilfældet med andre elementer. Det betyder, at der skal være andre partikler til stede i kernen og ikke have en ladning. Oprindeligt antog fysikerne, at disse var stærkt bundne protoner med elektroner, men i sidste ende blev det bevist, at en ny partikel dukkede op - neutronen (latin neutrum = neutral). Opdagelsen af ​​denne elementarpartikel (de såkaldte grundlæggende "klodser", der udgør alt stof) blev gjort i 1932 af den engelske fysiker James Chadwick.

Protoner og neutroner kan blive til hinanden. Fysikere spekulerer i, at de er former for en partikel kaldet en nukleon (latinsk kerne = kerne).

Da kernen i den simpleste isotop af brint er en proton, kan det ses, at William Prout i sin "brint"-hypotese atomkonstruktion han tog ikke alt for fejl (se: "Med atomet gennem tiderne - del 2"; "Ung tekniker" nr. 8/2015). I starten var der endda udsving mellem navnene proton og "proton".

4. Fotoceller ved mål - grundlaget for deres arbejde er den fotoelektriske effekt (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Ikke alt er tilladt

Rutherfords model på tidspunktet for dens fremkomst havde en "medfødt defekt". Ifølge Maxwells love for elektrodynamik (bekræftet af radioudsendelser, der allerede fungerede på det tidspunkt), skulle en elektron, der bevæger sig i en cirkel, udstråle en elektromagnetisk bølge.

Således mister den energi, som et resultat af hvilken den falder på kernen. Under normale forhold udstråler atomer ikke (spektre dannes, når de opvarmes til høje temperaturer), og atomkatastrofer observeres ikke (den estimerede levetid for en elektron er mindre end en milliontedel af et sekund).

Rutherfords model forklarede resultatet af partikelspredningsforsøget, men svarede stadig ikke til virkeligheden.

I 1913 "vænnede man sig" til, at energi i mikrokosmos optages og sendes ikke i nogen mængde, men i portioner, kaldet kvanta. På dette grundlag forklarede Max Planck arten af ​​de spektre af stråling, der udsendes af opvarmede legemer (1900), og Albert Einstein (1905) forklarede hemmelighederne bag den fotoelektriske effekt, dvs. emissionen af ​​elektroner fra oplyste metaller (4).

5. Diffraktionsbillede af elektroner på en tantaloxidkrystal viser dens symmetriske struktur (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Den 28-årige danske fysiker Niels Bohr forbedrede Rutherfords model af atomet. Han foreslog, at elektroner kun bevæger sig i baner, der opfylder visse energibetingelser. Derudover udsender elektroner ikke stråling, når de bevæger sig, og energi absorberes og udsendes kun, når de shuntes mellem baner. Forudsætningerne var i modstrid med klassisk fysik, men de opnåede resultater på deres grundlag (størrelsen af ​​brintatomet og længden af ​​linjerne i dets spektrum) viste sig at være i overensstemmelse med eksperimentet. nyfødt model atom.

Desværre var resultaterne kun gyldige for brintatomet (men forklarede ikke alle de spektrale observationer). For andre elementer svarede beregningsresultaterne ikke til virkeligheden. Således havde fysikere endnu ikke en teoretisk model af atomet.

Mysterier begyndte at opklare efter elleve år. Den franske fysiker Ludwik de Broglies doktorafhandling omhandlede materialepartiklers bølgeegenskaber. Det er allerede blevet bevist, at lys, udover de typiske karakteristika for en bølge (diffraktion, brydning), også opfører sig som en samling af partikler - fotoner (for eksempel elastiske kollisioner med elektroner). Men masseobjekter? Forslaget virkede som en drøm for en prins, der ønskede at blive fysiker. Men i 1927 blev der udført et eksperiment, der bekræftede de Broglies hypotese - elektronstrålen diffrakterede på en metalkrystal (5).

Hvor kom atomer fra?

Som alle andre: Big Bang. Fysikere mener, at der bogstaveligt talt på en brøkdel af et sekund fra "nulpunktet"-protoner blev dannet neutroner og elektroner, det vil sige de indgående atomer. Et par minutter senere (da universet afkølede og stoffets tæthed faldt), smeltede nukleonerne sammen og dannede kerner af andre grundstoffer end brint. Den største mængde helium blev dannet, samt spor af følgende tre grundstoffer. Først efter 100 XNUMX I mange år tillod forholdene elektroner at binde sig til kerner - de første atomer blev dannet. Jeg måtte vente længe på den næste. Tilfældige tæthedsudsving forårsagede dannelsen af ​​tætheder, som, efterhånden som de dukkede op, tiltrak mere og mere stof. Snart, i universets mørke, blussede de første stjerner op.

Efter omkring en milliard år begyndte nogle af dem at dø. I deres forløb producerede de kerner af atomer ned til jern. Nu, da de døde, spredte de dem over hele området, og nye stjerner blev født af asken. Den mest massive af dem havde en spektakulær afslutning. Under supernovaeksplosioner blev kernerne bombarderet med så mange partikler, at selv de tungeste grundstoffer blev dannet. De dannede nye stjerner, planeter og på nogle jordkloder - liv.

Eksistensen af ​​stofbølger er blevet bevist. På den anden side blev en elektron i et atom betragtet som en stående bølge, på grund af hvilken den ikke udstråler energi. Bølgeegenskaberne af bevægelige elektroner blev brugt til at skabe elektronmikroskoper, som gjorde det muligt at se atomer for første gang (6). I de efterfølgende år gjorde Werner Heisenbergs og Erwin Schrödinger's arbejde (på grundlag af de Broglies hypotese) det muligt at udvikle en ny model af atomets elektronskaller, udelukkende baseret på erfaring. Men det er spørgsmål uden for artiklens rammer.

Alkymisternes drøm gik i opfyldelse

Naturlige radioaktive transformationer, hvor nye grundstoffer dannes, har været kendt siden slutningen af ​​det 1919. århundrede. I XNUMX noget, som kun naturen har været i stand til indtil nu. Ernest Rutherford var i denne periode engageret i samspillet mellem partikler og stof. Under testene bemærkede han, at protonerne dukkede op som et resultat af bestråling med nitrogengas.

Den eneste forklaring på fænomenet var reaktionen mellem heliumkerner (en partikel og kernen af ​​en isotop af dette grundstof) og nitrogen (7). Som et resultat dannes ilt og brint (en proton er kernen i den letteste isotop). Alkymisternes drøm om transmutation er gået i opfyldelse. I de følgende årtier blev der produceret elementer, som ikke findes i naturen.

Naturlige radioaktive præparater, der udsender a-partikler, var ikke længere egnede til dette formål (Coulomb-barrieren af ​​tunge kerner er for stor til, at en let partikel kan nærme sig dem). Acceleratorerne, der bidrog enorm energi til kernerne af tunge isotoper, viste sig at være "alkymistiske ovne", hvori forfædrene til nutidens kemikere forsøgte at opnå "metallernes konge" (8).

Hvad med guld egentlig? Alkymister brugte oftest kviksølv som råmateriale til dets produktion. Det må indrømmes, at de i dette tilfælde havde en rigtig "næse". Det var fra kviksølv behandlet med neutroner i en atomreaktor, at kunstigt guld først blev opnået. Metalstykket blev vist i 1955 på Geneve Atomic Conference.

Fig. 6. Atomer på overfladen af ​​guld, synlige på billedet i et scanning tunneling mikroskop.

7. Skema af den første menneskelige transmutation af elementerne

Nyheden om fysikernes præstation vakte endda kort opsigt på verdensbørserne, men de opsigtsvækkende presserapporter blev tilbagevist af oplysninger om prisen på den malm, der blev udvundet på denne måde - den er mange gange dyrere end naturligt guld. Reaktorer vil ikke erstatte ædelmetalminen. Men de isotoper og kunstige grundstoffer, der produceres i dem (med henblik på medicin, energi, videnskabelig forskning) er meget mere værdifulde end guld.

8. Historisk cyklotron, der syntetiserer de første par grundstoffer efter uran i det periodiske system (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, august 1939)

For læsere, der gerne vil udforske de spørgsmål, der rejses i teksten, anbefaler jeg en række artikler af hr. Tomasz Sowiński. Optrådte i "Young Technics" i 2006-2010 (under overskriften "Sådan opdagede de"). Teksterne er også tilgængelige på forfatterens hjemmeside på: .

cyklus"Med et atom i evigheder»Han begyndte med en påmindelse om, at det seneste århundrede ofte blev kaldt for atomets tidsalder. Selvfølgelig kan man ikke undlade at bemærke de grundlæggende resultater af fysikere og kemikere i det XNUMX. århundrede i stofstrukturen. Men i de senere år er viden om mikrokosmos udvidet hurtigere og hurtigere, teknologier bliver udviklet, der gør det muligt at manipulere individuelle atomer og molekyler. Dette giver os ret til at sige, at atomets virkelige alder endnu ikke er nået.