Med en atom genom tiderna - del 3

Rutherfords planetmodell av atomen var närmare verkligheten än Thomsons "russinpudding". Men livet för detta koncept varade bara två år, men innan vi pratar om en efterträdare är det dags att reda ut nästa atomhemligheter.

1. Väteisotoper: stabilt prot och deuterium och radioaktivt tritium (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

kärnvapen lavin

Upptäckten av fenomenet radioaktivitet, som markerade början på att reda ut atomens mysterier, hotade till en början grunden för kemin - lagen om periodicitet. På kort tid identifierades flera dussin radioaktiva ämnen. Vissa av dem hade samma kemiska egenskaper, trots olika atommassa, medan andra, med samma massor, hade olika egenskaper. Dessutom, i området av det periodiska systemet där de skulle ha placerats på grund av sin vikt, fanns det inte tillräckligt med ledigt utrymme för att rymma dem alla. Det periodiska systemet gick förlorat på grund av en lavin av upptäckter.

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

atomkärnan

Detta är 10-100 tusen. gånger mindre än hela atomen. Om kärnan i en väteatom skulle förstoras till storleken av en boll med en diameter på 1 cm och placeras i mitten av en fotbollsplan, så skulle en elektron (mindre än ett knappnålshuvud) vara i närheten av ett mål (över 50 m).

Nästan hela massan av en atom är koncentrerad i kärnan, till exempel för guld är det nästan 99,98%. Föreställ dig en kub av denna metall som väger 19,3 ton. Allt kärnor av atomer guld har en total volym på mindre än 1/1000 mm3 (en kula med en diameter på mindre än 0,1 mm). Därför är atomen fruktansvärt tom. Läsare måste beräkna basmaterialets densitet.

Lösningen på detta problem hittades 1910 av Frederick Soddy. Han introducerade begreppet isotoper, d.v.s. varianter av samma grundämne som skiljer sig i sin atommassa (1). Således ifrågasatte han ett annat postulat av Dalton - från det ögonblicket borde ett kemiskt element inte längre bestå av atomer med samma massa. Den isotopiska hypotesen, efter experimentell bekräftelse (masspektrograf, 1911), gjorde det också möjligt att förklara bråkvärdena för atommassorna för vissa grundämnen - de flesta av dem är blandningar av många isotoper, och atomisk massa är det vägda medelvärdet av massorna av dem alla (2).

Kärnkomponenter

En annan av Rutherfords elever, Henry Moseley, studerade röntgenstrålar från kända grundämnen 1913. Till skillnad från komplexa optiska spektra är röntgenspektrat mycket enkelt - varje element avger bara två våglängder, vars våglängder lätt korreleras med laddningen av dess atomkärna.

3. En av röntgenapparaterna som används av Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Detta gjorde det möjligt för första gången att presentera det verkliga antalet befintliga grundämnen, samt att fastställa hur många av dem som fortfarande inte räcker för att fylla luckorna i det periodiska systemet (3).

En partikel som bär en positiv laddning kallas en proton (grekiska proton = första). Ett annat problem uppstod genast. Massan av en proton är ungefär lika med 1 enhet. Medan atomkärnan natrium med en laddning på 11 enheter har en massa på 23 enheter? Detsamma är naturligtvis fallet med andra element. Det betyder att det måste finnas andra partiklar i kärnan och inte ha en laddning. Till en början antog fysiker att dessa var starkt bundna protoner med elektroner, men i slutändan bevisades det att en ny partikel dök upp - neutronen (latin neutrum = neutral). Upptäckten av denna elementarpartikel (de så kallade grundläggande "tegelstenarna" som utgör all materia) gjordes 1932 av den engelske fysikern James Chadwick.

Protoner och neutroner kan förvandlas till varandra. Fysiker spekulerar i att de är former av en partikel som kallas en nukleon (latin nucleus = kärna).

Eftersom kärnan i den enklaste isotopen av väte är en proton, kan man se att William Prout i sin "väte"-hypotes atomens struktur han hade inte alltför fel (se: ”Med atomen genom tiderna – del 2”; ”Ung tekniker” nr 8/2015). Till en början fanns det till och med fluktuationer mellan namnen proton och "prouton".

4. Fotoceller vid målgången - grunden för deras arbete är den fotoelektriska effekten (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Allt är inte tillåtet

Rutherfords modell vid tiden för dess utseende hade en "medfödd defekt". Enligt Maxwells elektrodynamiska lagar (bekräftat av radiosändningar som redan fungerade vid den tiden), bör en elektron som rör sig i en cirkel utstråla en elektromagnetisk våg.

Således förlorar den energi, som ett resultat av vilken den faller på kärnan. Under normala förhållanden strålar inte atomer ut (spektra bildas vid upphettning till höga temperaturer) och atomkatastrofer observeras inte (den beräknade livslängden för en elektron är mindre än en miljondels sekund).

Rutherfords modell förklarade resultatet av partikelspridningsexperimentet, men motsvarade fortfarande inte verkligheten.

1913 "vande sig" folk vid det faktum att energi i mikrokosmos tas och skickas inte i någon mängd, utan i portioner, så kallade kvanta. På grundval av detta förklarade Max Planck karaktären av strålningsspektra som sänds ut av uppvärmda kroppar (1900) och Albert Einstein (1905) hemligheterna bakom den fotoelektriska effekten, det vill säga emissionen av elektroner från belysta metaller (4).

5. Diffraktionsbild av elektroner på en tantaloxidkristall visar dess symmetriska struktur (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Den 28-årige danske fysikern Niels Bohr förbättrade Rutherfords modell av atomen. Han föreslog att elektroner endast rör sig i banor som uppfyller vissa energivillkor. Dessutom sänder inte elektroner ut strålning när de rör sig, och energi absorberas och emitteras endast när de shuntas mellan banor. Antagandena stred mot klassisk fysik, men resultaten som erhölls på grundval av dem (storleken på väteatomen och längden på linjerna i dess spektrum) visade sig vara förenliga med experimentet. nyfödd modell atomu.

Tyvärr gällde resultaten endast för väteatomen (men förklarade inte alla spektrala observationer). För övriga moment överensstämde inte beräkningsresultaten med verkligheten. Således hade fysiker ännu inte en teoretisk modell av atomen.

Mysterier började klarna upp efter elva år. Den franske fysikern Ludwik de Broglies doktorsavhandling handlade om materialpartiklars vågegenskaper. Det har redan bevisats att ljus, förutom de typiska egenskaperna hos en våg (diffraktion, refraktion), också beter sig som en samling partiklar - fotoner (till exempel elastiska kollisioner med elektroner). Men massföremål? Förslaget verkade som en dröm för en prins som ville bli fysiker. Men 1927 genomfördes ett experiment som bekräftade de Broglies hypotes - elektronstrålen diffrakterade på en metallkristall (5).

Var kom atomerna ifrån?

Som alla andra: Big Bang. Fysiker tror att på en bråkdel av en sekund från "nollpunkten" protoner, bildades neutroner och elektroner, det vill säga de ingående atomerna. Några minuter senare (när universum svalnade och materiens densitet minskade) smälte nukleonerna samman och bildade kärnor av andra element än väte. Den största mängden helium bildades, liksom spår av följande tre grundämnen. Först efter 100 XNUMX Under många år tillät förhållanden elektroner att binda till kärnor - de första atomerna bildades. Jag fick vänta länge på nästa. Slumpmässiga fluktuationer i densitet orsakade bildandet av tätheter, som, när de visade sig, drog till sig mer och mer materia. Snart, i universums mörker, blossade de första stjärnorna upp.

Efter ungefär en miljard år började några av dem dö. I sin kurs producerade de kärnor av atomer ner till järn. Nu, när de dog, spred de dem över hela området, och nya stjärnor föddes ur askan. Den mest massiva av dem hade ett spektakulärt slut. Under supernovaexplosioner bombarderades kärnorna med så många partiklar att även de tyngsta grundämnena bildades. De bildade nya stjärnor, planeter och på vissa jordklot - liv.

Förekomsten av materiavågor har bevisats. Å andra sidan betraktades en elektron i en atom som en stående våg, på grund av vilken den inte utstrålar energi. Vågegenskaperna hos rörliga elektroner användes för att skapa elektronmikroskop, vilket gjorde det möjligt att se atomer för första gången (6). Under de följande åren gjorde arbetet av Werner Heisenberg och Erwin Schrödinger (på grundval av de Broglie-hypotesen) det möjligt att utveckla en ny modell av atomens elektronskal, helt baserad på erfarenhet. Men det här är frågor utanför artikelns ram.

Alkemisternas dröm gick i uppfyllelse

Naturliga radioaktiva omvandlingar, där nya grundämnen bildas, har varit kända sedan slutet av 1919-talet. I XNUMX, något som bara naturen har kunnat till nu. Ernest Rutherford var under denna period engagerad i samspelet mellan partiklar och materia. Under testerna märkte han att protonerna dök upp som ett resultat av bestrålning med kvävgas.

Den enda förklaringen till fenomenet var reaktionen mellan heliumkärnor (en partikel och kärnan i en isotop av detta grundämne) och kväve (7). Som ett resultat bildas syre och väte (en proton är kärnan i den lättaste isotopen). Alkemisternas dröm om transmutation har gått i uppfyllelse. Under de följande decennierna producerades grundämnen som inte finns i naturen.

Naturliga radioaktiva preparat som avger a-partiklar var inte längre lämpliga för detta ändamål (Coulomb-barriären för tunga kärnor är för stor för att en lätt partikel ska kunna närma sig dem). Acceleratorerna, som gav enorm energi till kärnorna i tunga isotoper, visade sig vara "alkemiska ugnar" där förfäderna till dagens kemister försökte få "metallernas kung" (8).

Hur är det egentligen med guld? Alkemister använde oftast kvicksilver som råvara för sin produktion. Det måste erkännas att de i det här fallet hade en riktig "näsa". Det var från kvicksilver behandlat med neutroner i en kärnreaktor som konstgjort guld först erhölls. Metallstycket visades 1955 vid Genève Atomic Conference.

Fig. 6. Atomer på ytan av guld, synliga på bilden i ett scanning tunneling mikroskop.

7. Schema för den första mänskliga transmutationen av elementen

Nyheten om fysikernas prestation orsakade till och med en kort uppståndelse på världsbörserna, men de sensationella pressrapporterna motbevisades av information om priset på malmen som bryts på detta sätt - det är många gånger dyrare än naturligt guld. Reaktorer kommer inte att ersätta ädelmetallgruvan. Men de isotoper och konstgjorda grundämnen som produceras i dem (för medicin, energi, vetenskaplig forskning) är mycket mer värda än guld.

8. Historisk cyklotron som syntetiserar de första grundämnena efter uran i det periodiska systemet (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, augusti 1939)

För läsare som vill utforska de frågor som tas upp i texten rekommenderar jag en serie artiklar av Tomasz Sowiński. Dök upp i "Young Technics" 2006-2010 (under rubriken "Hur de upptäckte"). Texterna finns även tillgängliga på författarens hemsida på: .

Cykel "Med en atom för alltid» Han började med en påminnelse om att det gångna århundradet ofta kallades atomens ålder. Naturligtvis kan man inte undgå att notera de grundläggande prestationerna av fysiker och kemister under XNUMX-talet i materiens struktur. Men under de senaste åren har kunskapen om mikrokosmos expanderat snabbare och snabbare, tekniker utvecklas som gör det möjligt att manipulera enskilda atomer och molekyler. Detta ger oss rätten att säga att atomens verkliga ålder ännu inte har kommit.