Atomilla kautta aikojen - osa 3

Rutherfordin planeettamalli atomista oli lähempänä todellisuutta kuin Thomsonin "rusinavanukas". Tämän konseptin käyttöikä kesti kuitenkin vain kaksi vuotta, mutta ennen kuin puhutaan seuraajasta, on aika selvittää seuraavat atomin salaisuudet.

1. Vedyn isotoopit: stabiili prot ja deuterium ja radioaktiivinen tritium (kuva: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

ydinvyöry

Radioaktiivisuusilmiön löytäminen, joka merkitsi alkua atomin mysteerien selvittämiselle, uhkasi alun perin kemian perustaa - jaksollisuuden lakia. Lyhyessä ajassa tunnistettiin useita kymmeniä radioaktiivisia aineita. Joillakin niistä oli samat kemialliset ominaisuudet huolimatta erilaisesta atomimassasta, kun taas toisilla, joilla oli sama massa, oli erilaiset ominaisuudet. Lisäksi jaksollisen taulukon alueella, johon ne olisi pitänyt sijoittaa painonsa vuoksi, ei ollut tarpeeksi vapaata tilaa niille kaikille. Jaksollinen järjestelmä katosi löytöjen lumivyöryn vuoksi.

2. J.J. Thompsonin vuoden 1911 massaspektrometrin kopio (kuva: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Atomituuma

Tämä on 10-100 tuhatta. kertaa pienempi kuin koko atomi. Jos vetyatomin ydin suurennettaisiin halkaisijaltaan 1 cm:n pallon kokoiseksi ja sijoitettaisiin jalkapallokentän keskelle, elektroni (pienimpi kuin neulanpää) olisi maalin lähellä. (yli 50 m).

Lähes koko atomin massa on keskittynyt ytimeen, esimerkiksi kullalla se on lähes 99,98%. Kuvittele tämän metallin kuutio, joka painaa 19,3 tonnia. Kaikki atomien ytimiä kullan kokonaistilavuus on alle 1/1000 mm3 (pallo, jonka halkaisija on alle 0,1 mm). Siksi atomi on hirveän tyhjä. Lukijoiden on laskettava perusmateriaalin tiheys.

Frederick Soddy löysi ratkaisun tähän ongelmaan vuonna 1910. Hän esitteli isotooppien käsitteen, ts. saman alkuaineen lajikkeet, jotka eroavat atomimassaltaan (1). Siten hän kyseenalaisti toisen Daltonin postulaatin - siitä hetkestä lähtien kemiallisen alkuaineen ei pitäisi enää koostua saman massaisista atomeista. Isotooppihypoteesi kokeellisen vahvistuksen jälkeen (massaspektrografi, 1911) mahdollisti myös joidenkin alkuaineiden atomimassojen murto-arvojen selittämisen - useimmat niistä ovat monien isotooppien seoksia, ja atomimassa on niiden kaikkien massojen painotettu keskiarvo (2).

Ytimen komponentit

Toinen Rutherfordin oppilaista, Henry Moseley, tutki tunnettujen elementtien lähettämiä röntgensäteitä vuonna 1913. Toisin kuin monimutkaiset optiset spektrit, röntgenspektri on hyvin yksinkertainen - jokainen elementti emittoi vain kaksi aallonpituutta, joiden aallonpituudet korreloivat helposti sen atomiytimen varauksen kanssa.

3. Yksi Moseleyn käyttämistä röntgenlaitteista (kuva: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Tämä mahdollisti ensimmäistä kertaa olemassa olevien elementtien todellisen määrän esittämisen sekä sen, kuinka monta niistä ei vieläkään riitä täyttämään jaksollisen taulukon aukkoja (3).

Positiivisen varauksen omaavaa hiukkasta kutsutaan protoniksi (kreikaksi protoni = ensimmäinen). Toinen ongelma ilmaantui heti. Protonin massa on suunnilleen yhtä suuri kuin 1 yksikkö. Sitä vastoin atomiydin natrium, jonka varaus on 11 yksikköä, on massa 23 yksikköä? Sama pätee tietysti muihinkin elementteihin. Tämä tarkoittaa, että ytimessä täytyy olla muita hiukkasia, joilla ei ole varausta. Aluksi fyysikot olettivat, että nämä olivat voimakkaasti sitoutuneita protoneja elektronien kanssa, mutta lopulta todistettiin, että uusi hiukkanen ilmestyi - neutroni (latinaksi neuter = neutraali). Englantilainen fyysikko James Chadwick löysi vuonna 1932 tämän alkuainehiukkasen (niin sanotut perustiilet, jotka muodostavat kaiken aineen).

Protonit ja neutronit voivat muuttua toisikseen. Fyysikot spekuloivat, että ne ovat muotoja hiukkasesta, jota kutsutaan nukleoniksi (latinaksi nucleus = ydin).

Koska vedyn yksinkertaisimman isotoopin ydin on protoni, voidaan nähdä, että William Prout "vety" -hypoteesissaan atomin rakentaminen hän ei ollut liian väärässä (katso: "Atomin kanssa läpi aikojen - osa 2"; "Nuori teknikko" nro 8/2015). Aluksi oli jopa vaihteluja nimien protoni ja "protoni" välillä.

4. Valokennot maalissa - heidän työnsä perustana on valosähköinen efekti (kuva: Ies / Wikimedia Commons)

Kaikki ei ole sallittua

Rutherfordin mallilla oli ilmestymishetkellä "synnynnäinen vika". Maxwellin sähködynamiikan lakien mukaan (jotka vahvistivat jo tuolloin toimineet radiolähetykset) ympyrässä liikkuvan elektronin tulisi säteillä sähkömagneettista aaltoa.

Siten se menettää energiaa, minkä seurauksena se putoaa ytimeen. Normaaliolosuhteissa atomit eivät säteile (spektrit muodostuvat kuumennettaessa korkeisiin lämpötiloihin) eikä atomikatastrofeja havaita (elektronin arvioitu elinikä on alle sekunnin miljoonasosa).

Rutherfordin malli selitti hiukkassirontakokeen tuloksen, mutta ei silti vastannut todellisuutta.

Vuonna 1913 ihmiset "tottuivat" siihen tosiasiaan, että mikrokosmoksen energiaa ei oteta ja lähetetään ei missä tahansa määrässä, vaan osissa, joita kutsutaan kvantteiksi. Tällä perusteella Max Planck selitti kuumennettujen kappaleiden emittoiman säteilyn spektrien luonteen (1900) ja Albert Einstein (1905) valosähköisen vaikutuksen, eli valaistujen metallien elektronien emission salaisuudet (4).

5. Elektronien diffraktiokuva tantaalioksidikiteellä osoittaa sen symmetrisen rakenteen (kuva: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-vuotias tanskalainen fyysikko Niels Bohr paransi Rutherfordin atomimallia. Hän ehdotti, että elektronit liikkuvat vain kiertoradoilla, jotka täyttävät tietyt energiaolosuhteet. Lisäksi elektronit eivät säteile säteilyä liikkuessaan, ja energia absorboituu ja emittoituu vain, kun sitä ohjataan kiertoradojen välillä. Oletukset olivat ristiriidassa klassisen fysiikan kanssa, mutta niiden perusteella saadut tulokset (vetyatomin koko ja sen spektrin viivojen pituus) osoittautuivat kokeen mukaisiksi. vastasyntynyt malli atomu.

Valitettavasti tulokset pätevät vain vetyatomille (mutta eivät selittäneet kaikkia spektrihavaintoja). Muiden elementtien osalta laskentatulokset eivät vastanneet todellisuutta. Näin ollen fyysikoilla ei vielä ollut teoreettista mallia atomista.

Mysteerit alkoivat selkiytyä yhdentoista vuoden jälkeen. Ranskalaisen fyysikon Ludwik de Broglien väitöskirja käsitteli materiaalihiukkasten aalto-ominaisuuksia. On jo todistettu, että valo käyttäytyy aallon tyypillisten ominaisuuksien (diffraktio, taittuminen) lisäksi myös kokoelmana hiukkasia - fotoneja (esimerkiksi elastiset törmäykset elektronien kanssa). Mutta massaesineitä? Ehdotus tuntui unelmalta prinssille, joka halusi tulla fyysikolle. Kuitenkin vuonna 1927 suoritettiin koe, joka vahvisti de Broglien hypoteesin - elektronisuihku taittui metallikiteellä (5).

Mistä atomit tulivat?

Kuten kaikki muutkin: Big Bang. Fyysikot uskovat, että kirjaimellisesti sekunnin murto-osassa "nollapisteestä" muodostui protonit, neutronit ja elektronit, eli niiden muodostavat atomit. Muutamaa minuuttia myöhemmin (kun universumi jäähtyi ja aineen tiheys pieneni) nukleonit sulautuivat yhteen muodostaen muiden alkuaineiden kuin vedyn ytimiä. Suurin määrä heliumia muodostui, samoin kuin jälkiä seuraavista kolmesta alkuaineesta. Vasta 100 XNUMX jälkeen Monien vuosien ajan olosuhteet sallivat elektronien sitoutua ytimiin - ensimmäiset atomit muodostuivat. Seuraavaa jouduin odottamaan pitkään. Tiheyden satunnaiset vaihtelut aiheuttivat tiheyksien muodostumista, jotka ilmaantuessaan houkuttelivat yhä enemmän ainetta. Pian universumin pimeydessä ensimmäiset tähdet leimahtivat.

Noin miljardin vuoden kuluttua jotkut heistä alkoivat kuolla. Kurssillaan he tuottivat atomien ytimiä rautaa asti. Nyt, kun he kuolivat, he levittivät ne koko alueelle, ja tuhkasta syntyi uusia tähtiä. Massiivisin niistä oli upea loppu. Supernovaräjähdyksen aikana ytimiä pommitettiin niin monilla hiukkasilla, että jopa raskaimmat alkuaineet muodostuivat. Ne muodostivat uusia tähtiä, planeettoja ja joillain maapalloilla elämää.

Aineaaltojen olemassaolo on todistettu. Toisaalta atomissa olevaa elektronia pidettiin seisovana aaltona, minkä vuoksi se ei säteile energiaa. Liikkuvien elektronien aalto-ominaisuuksia käytettiin luomaan elektronimikroskooppeja, jotka mahdollistivat atomien näkemisen ensimmäistä kertaa (6). Seuraavina vuosina Werner Heisenbergin ja Erwin Schrödingerin työ (de Broglien hypoteesin perusteella) mahdollisti uuden atomin elektronikuoren mallin kehittämisen, joka perustuu täysin kokemukseen. Mutta nämä ovat kysymyksiä, jotka eivät kuulu artikkelin soveltamisalaan.

Alkemistien unelma toteutui

Luonnolliset radioaktiiviset muutokset, joissa muodostuu uusia alkuaineita, on tunnettu 1919-luvun lopusta lähtien. XNUMX:ssa jotain, mihin vain luonto on tähän asti pystynyt. Ernest Rutherford oli tänä aikana mukana hiukkasten vuorovaikutuksessa aineen kanssa. Testien aikana hän huomasi, että protonit ilmestyivät typpikaasulla säteilytyksen seurauksena.

Ainoa selitys ilmiölle oli heliumytimien (hiukkanen ja tämän alkuaineen isotoopin ydin) ja typen välinen reaktio (7). Tämän seurauksena muodostuu happea ja vetyä (protoni on kevyimmän isotoopin ydin). Alkemistien unelma transmutaatiosta on toteutunut. Seuraavina vuosikymmeninä tuotettiin elementtejä, joita ei löydy luonnosta.

Luonnolliset radioaktiiviset a-hiukkasia lähettävät valmisteet eivät enää olleet sopivia tähän tarkoitukseen (raskaiden ytimien Coulombin este on liian suuri, jotta kevyt hiukkanen voisi lähestyä niitä). Kiihdyttimet, jotka tuottivat valtavaa energiaa raskaiden isotooppien ytimille, osoittautuivat "alkemiallisiksi uuniksi", joissa nykypäivän kemistien esi-isät yrittivät saada "metallien kuninkaan" (8).

Itse asiassa, entä kulta? Alkemistit käyttivät useimmiten elohopeaa raaka-aineena sen valmistuksessa. On myönnettävä, että tässä tapauksessa heillä oli todellinen "nenä". Keinotekoinen kulta saatiin ensimmäisen kerran ydinreaktorissa neutroneilla käsitellystä elohopeesta. Metallikappale esiteltiin vuonna 1955 Geneven atomikonferenssissa.

Kuva 6. Atomit kullan pinnalla, näkyvät kuvassa pyyhkäisytunnelimikroskoopissa.

7. Kaavio alkuaineiden ensimmäisestä ihmisen transmutaatiosta

Uutiset fyysikkojen saavutuksista aiheuttivat jopa lyhyen kohun maailman pörssissä, mutta sensaatiomaiset lehdistötiedotteet kumottiin tiedoilla tällä tavalla louhitun malmin hinnasta - se on monta kertaa kalliimpaa kuin luonnonkulta. Reaktorit eivät korvaa jalometallikaivoksia. Mutta niissä tuotetut isotoopit ja keinotekoiset alkuaineet (lääketieteen, energian, tieteellisen tutkimuksen tarkoituksiin) ovat paljon arvokkaampia kuin kulta.

8. Historiallinen syklotroni, joka syntetisoi ensimmäisiä alkuaineita uraanin jälkeen jaksollisessa taulukossa (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, elokuu 1939)

Lukijoille, jotka haluavat tutkia tekstissä esille tuotuja kysymyksiä, suosittelen Tomasz Sowińskin artikkelisarjaa. Esiintynyt "Young Technicsissä" vuosina 2006-2010 (otsikon alla "Kuinka he löysivät"). Tekstit ovat saatavilla myös kirjoittajan verkkosivuilla osoitteessa: .

Pyöräile"Atomilla ikuisiksi ajoiksi» Hän aloitti muistutuksella, että kulunutta vuosisataa kutsuttiin usein atomin kaudeksi. Tietenkin ei voida jättää huomioimatta XNUMX-luvun fyysikkojen ja kemistien perustavanlaatuisia saavutuksia aineen rakenteessa. Viime vuosina tieto mikrokosmosta kuitenkin laajenee yhä nopeammin, kehitetään teknologioita, jotka mahdollistavat yksittäisten atomien ja molekyylien manipuloinnin. Tämä antaa meille oikeuden sanoa, että atomin todellinen ikä ei ole vielä saapunut.