Sa atomom kroz vijekove - 3. dio

Rutherfordov planetarni model atoma bio je bliži stvarnosti od Thomsonovog "pudinga od grožđica". Međutim, 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 vodonika: stabilni prot i deuterijum i radioaktivni tricijum (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

nuklearna lavina

Otkriće fenomena radioaktivnosti, koje je označilo početak otkrivanja misterija atoma, u početku je ugrozilo osnovu hemije - zakon periodičnosti. Za kratko vrijeme identificirano je nekoliko desetina radioaktivnih supstanci. Neki od njih su imali ista hemijska svojstva, uprkos različitoj atomskoj masi, dok su drugi, sa istim masama, imali različita svojstva. Štaviše, u dijelu periodnog sistema gdje su trebali biti smješteni zbog svoje težine, nije bilo dovoljno slobodnog prostora da ih sve primi. Periodični sistem je izgubljen zbog lavine otkrića.

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

Atomska jezgra

Ovo je 10-100 hiljada. puta manji od cijelog atoma. Ako bi se jezgro atoma vodika povećalo na veličinu lopte prečnika 1 cm i stavilo u centar fudbalskog terena, tada bi se elektron (manji od glave igle) našao u blizini gola. (preko 50 m).

Gotovo cijela masa atoma koncentrirana je u jezgru, na primjer, za zlato je skoro 99,98%. Zamislite kocku ovog metala tešku 19,3 tone. Sve jezgra atoma zlata imaju ukupnu zapreminu manju od 1/1000 mm3 (kugla prečnika manjeg od 0,1 mm). Stoga je atom užasno prazan. Čitaoci moraju izračunati gustinu osnovnog materijala.

Rješenje za ovaj problem pronašao je 1910. Frederick Soddy. Uveo je pojam izotopa, tj. varijeteti istog elementa koji se razlikuju po atomskoj masi (1). Tako je doveo u pitanje još jedan Daltonov postulat – od tog trenutka kemijski element više ne bi trebao biti sastavljeni od atoma iste mase. Izotopska hipoteza, nakon eksperimentalne potvrde (maseni spektrograf, 1911.), također je omogućila da se objasne frakcijske vrijednosti atomskih masa nekih elemenata - većina njih su mješavine mnogih izotopa, a atomska masa je ponderisani prosek masa svih njih (2).

Komponente jezgre

Drugi Rutherfordov učenik, Henry Moseley, proučavao je X-zrake koje emituju poznati elementi 1913. godine. Za razliku od složenih optičkih spektra, rendgenski spektar je vrlo jednostavan - svaki element emituje samo dvije valne dužine, čije se valne dužine lako povezuju s nabojem njegovog atomskog jezgra.

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 da se popune praznine u periodnom sistemu (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 atomsko jezgro natrijum sa nabojem od 11 jedinica ima masu od 23 jedinice? Isti je, naravno, slučaj i sa ostalim elementima. To znači da u jezgru moraju postojati druge čestice koje nemaju naboj. U početku su fizičari pretpostavljali da se radi o čvrsto vezanim protonima sa elektronima, ali je na kraju dokazano da se pojavila nova čestica - neutron (lat. neuter = neutralan). Otkriće ove elementarne čestice (takozvane osnovne "cigle" koje čine svu materiju) je 1932. godine napravio engleski fizičar James Chadwick.

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

Budući da je jezgro najjednostavnijeg izotopa vodonika proton, može se vidjeti da je William Prout u svojoj hipotezi o "vodiku" atomska konstrukcija nije previše pogrešio (vidi: „Atomom kroz vekove – 2. deo”; „Mladi tehničar” br. 8/2015). U početku je čak bilo i fluktuacija između naziva proton i "proton".

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

Nije sve dozvoljeno

Rutherfordov model je u vrijeme svog pojavljivanja imao "urođeni defekt". Prema Maksvelovim zakonima elektrodinamike (potvrđenim radio-emitovanjem koje je u to vreme već funkcionisalo), elektron koji se kreće u krug treba da zrači elektromagnetski talas.

Tako gubi energiju, zbog čega pada na jezgro. U normalnim uslovima, atomi ne zrače (spektri se formiraju kada se zagreju na visoke temperature) i atomske katastrofe se ne primećuju (procenjeni životni vek elektrona je manji od milionitog dela sekunde).

Rutherfordov model je objasnio rezultat eksperimenta rasipanja čestica, ali još uvijek nije odgovarao stvarnosti.

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

5. Difrakciona 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. On je predložio da se elektroni kreću samo u orbitama koje ispunjavaju određene energetske uslove. Osim toga, elektroni ne emituju zračenje dok se kreću, a energija se apsorbira i emituje samo kada se prebacuje između orbita. Pretpostavke su bile u suprotnosti s klasičnom fizikom, ali rezultati dobiveni na njihovoj osnovi (veličina atoma vodika i dužina linija njegovog spektra) su se pokazali u skladu s eksperimentom. novorođenče model atoma.

Nažalost, rezultati su vrijedili samo za atom vodonika (ali nisu objasnili sva spektralna opažanja). Za ostale elemente, rezultati proračuna 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, pored tipičnih karakteristika vala (difrakcija, refrakcija), ponaša i kao skup čestica - fotona (na primjer, elastični sudari s elektronima). Ali masovni objekti? Prijedlog je izgledao kao san za princa koji je želio postati fizičar. Međutim, 1927. godine izveden je eksperiment koji je potvrdio de Broglieovu hipotezu – snop elektrona se difrakirao na metalnom kristalu (5).

Odakle su došli atomi?

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

Nakon otprilike milijardu godina, neki od njih su počeli umirati. U svom toku su proizvodili jezgra atoma sve do gvožđa. Sada, kada su umrli, proširili su ih po cijelom regionu, a nove zvijezde su se rodile iz pepela. Najmasovniji od njih imao je spektakularan završetak. Tokom eksplozija supernove, jezgra su bombardovana sa toliko čestica da su nastali čak i najteži elementi. Formirali su nove zvijezde, planete, a na nekim globusima - život.

Dokazano je postojanje talasa materije. S druge strane, elektron u atomu se smatrao stajaćim valom, zbog čega ne zrači energiju. Talasna svojstva pokretnih elektrona korištena su za izradu elektronskih mikroskopa, koji su omogućili da se prvi put vide atomi (6). U narednim godinama, rad Wernera Heisenberga i Erwina Schrödingera (na temelju de Broglieove hipoteze) omogućio je razvoj novog modela elektronske ljuske atoma, potpuno zasnovanog na iskustvu. Ali to su pitanja izvan okvira članka.

San alhemičara 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 tokom ovog perioda bavio interakcijom čestica sa materijom. Tokom testova, primetio je da se protoni pojavljuju kao rezultat zračenja gasom azota.

Jedino objašnjenje za ovaj fenomen bila je reakcija između jezgri helijuma (čestica i jezgra izotopa ovog elementa) i dušika (7). Kao rezultat, nastaju kisik i vodik (proton je jezgro najlakšeg izotopa). Ostvario se san alhemičara o transmutaciji. U narednim decenijama proizvedeni su elementi koji se ne nalaze u prirodi.

Prirodni radioaktivni preparati koji emituju a-čestice više nisu bili prikladni za ovu svrhu (Kulonova barijera teških jezgara je prevelika da bi im se laka čestica približila). Ispostavilo se da su akceleratori, koji daju ogromnu energiju jezgrima teških izotopa, "alhemijske peći" u kojima su preci današnjih hemičara pokušavali da dobiju "kralja metala" (8).

U stvari, šta je sa zlatom? Alhemičari su najčešće koristili živu kao sirovinu za njenu 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 je prikazan 1955. na Ženevskoj atomskoj konferenciji.

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

7. Šema prve ljudske transmutacije elemenata

Vijest o dostignuću fizičara izazvala je čak i kratkotrajnu pomutnju na svjetskim berzama, ali su senzacionalne novinske izvještaje opovrgnute informacije o cijeni ovako iskopane rude - višestruko je skuplja od prirodnog zlata. Reaktori neće zamijeniti rudnik plemenitih metala. Ali izotopi i umjetni elementi proizvedeni u njima (za potrebe medicine, energetike, naučnih istraživanja) mnogo su vrijedniji od zlata.

8. Istorijski ciklotron koji sintetiše prvih nekoliko elemenata nakon uranijuma u periodnom sistemu (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, avgust 1939.)

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

ciklus "Sa atomom godinama» Počeo je podsjećanjem da se prošli vijek često nazivao dobom atoma. Naravno, ne može se ne primijetiti temeljna dostignuća fizičara i hemičara XNUMX. stoljeća u strukturi materije. Međutim, posljednjih godina znanje o mikrokosmosu se širi sve brže, razvijaju se tehnologije koje omogućavaju manipulaciju pojedinačnim atomima i molekulama. To nam daje za pravo da kažemo da prava starost atoma još nije stigla.