С атом през вековете - част 3

Планетарният модел на атома на Ръдърфорд беше по-близо до реалността, отколкото "пудингът със стафиди" на Томсън. Животът на тази концепция обаче продължи само две години, но преди да говорим за наследник, време е да разкрием следващите атомни тайни.

1. Водородни изотопи: стабилен протеин и деутерий и радиоактивен тритий (снимка: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

ядрена лавина

Откриването на явлението радиоактивност, което бележи началото на разгадаването на тайните на атома, първоначално застрашава основата на химията - закона за периодичността. За кратко време бяха идентифицирани няколко десетки радиоактивни вещества. Някои от тях имаха еднакви химични свойства, въпреки различната атомна маса, докато други, с еднакви маси, имаха различни свойства. Освен това в зоната на периодичната таблица, където трябваше да бъдат поставени поради теглото им, нямаше достатъчно свободно място, за да ги побере всички. Периодичната таблица е изгубена поради лавина от открития.

2. Реплика на масспектрометъра на J.J. Thompson от 1911 г. (снимка: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Атомно ядро

Това са 10-100 хиляди. пъти по-малък от целия атом. Ако ядрото на водороден атом се увеличи до размера на топка с диаметър 1 см и се постави в центъра на футболно игрище, тогава електрон (по-малък от глава на карфица) ще бъде в близост до гол (над 50 м).

Почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото, например за златото е почти 99,98%. Представете си куб от този метал с тегло 19,3 тона. всичко ядра на атоми златото има общ обем по-малък от 1/1000 mm3 (топка с диаметър по-малък от 0,1 mm). Следователно атомът е ужасно празен. Читателите трябва да изчислят плътността на основния материал.

Решението на този проблем е намерено през 1910 г. от Фредерик Соди. Той въведе понятието изотопи, т.е. разновидности на един и същи елемент, които се различават по своята атомна маса (1). Така той постави под съмнение друг постулат на Далтон - от този момент нататък химичният елемент вече не трябва да се състои от атоми с еднаква маса. Изотопната хипотеза, след експериментално потвърждение (масспектрограф, 1911 г.), също направи възможно обяснението на частичните стойности на атомните маси на някои елементи - повечето от тях са смеси от много изотопи и атомна маса е среднопретеглената стойност на масите на всички тях (2).

Компоненти на ядрото

Друг от учениците на Ръдърфорд, Хенри Моузли, изучава рентгеновите лъчи, излъчвани от известни елементи през 1913 г. За разлика от сложните оптични спектри, рентгеновият спектър е много прост - всеки елемент излъчва само две дължини на вълната, чиито дължини на вълните лесно се корелират със заряда на атомното му ядро.

3. Един от рентгеновите апарати, използвани от Моузли (снимка: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Това даде възможност за първи път да се представи реалният брой на съществуващите елементи, както и да се определи колко от тях все още не са достатъчни, за да запълнят празнините в периодичната таблица (3).

Частица, носеща положителен заряд, се нарича протон (на гръцки протон = първи). Веднага възникна друг проблем. Масата на протона е приблизително равна на 1 единица. като има предвид, че атомно ядро натрий със заряд 11 единици има маса 23 единици? Същото, разбира се, е и с други елементи. Това означава, че в ядрото трябва да има други частици, които нямат заряд. Първоначално физиците приемат, че това са силно свързани протони с електрони, но в крайна сметка се оказва, че се появява нова частица - неутронът (лат. neuter = неутрален). Откриването на тази елементарна частица (т.нар. основни "тухлички", изграждащи цялата материя) е направено през 1932 г. от английския физик Джеймс Чадуик.

Протоните и неутроните могат да се превръщат един в друг. Физиците спекулират, че те са форми на частица, наречена нуклон (на латински nucleus = ядро).

Тъй като ядрото на най-простия изотоп на водорода е протон, може да се види, че Уилям Праут в своята "водородна" хипотеза конструкция на атома не сгреши много (виж: „С атома през вековете – част 2”; „Млад техник” бр. 8/2015). Първоначално дори имаше колебания между имената протон и "протон".

4. Фотоклетки на финала - основата на тяхната работа е фотоелектричният ефект (снимка: Ies / Wikimedia Commons)

Не всичко е позволено

Моделът на Ръдърфорд по време на появата си имаше "вроден дефект". Според законите на електродинамиката на Максуел (потвърдени от радиоразпръскването, което вече функционира по това време), електрон, движещ се в кръг, трябва да излъчва електромагнитна вълна.

Така той губи енергия, в резултат на което попада върху ядрото. При нормални условия атомите не излъчват (спектрите се образуват при нагряване до високи температури) и не се наблюдават атомни катастрофи (приблизителното време на живот на електрона е по-малко от една милионна от секундата).

Моделът на Ръдърфорд обяснява резултата от експеримента за разсейване на частици, но все още не отговаря на реалността.

През 1913 г. хората "свикнаха" с факта, че енергията в микрокосмоса се взема и изпраща не в произволни количества, а на порции, наречени кванти. На тази основа Макс Планк обяснява природата на спектрите на радиация, излъчвана от нагрети тела (1900 г.), а Алберт Айнщайн (1905 г.) обяснява тайните на фотоелектричния ефект, т.е. излъчването на електрони от осветени метали (4).

5. Дифракционно изображение на електрони върху кристал от танталов оксид показва неговата симетрична структура (снимка: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-годишният датски физик Нилс Бор подобри модела на атома на Ръдърфорд. Той предположи, че електроните се движат само в орбити, които отговарят на определени енергийни условия. В допълнение, електроните не излъчват радиация, докато се движат, и енергията се абсорбира и излъчва само когато се шунтира между орбитите. Предположенията противоречат на класическата физика, но получените въз основа на тях резултати (размерът на водородния атом и дължината на линиите на неговия спектър) се оказват в съответствие с експеримента. новородено модел atomu.

За съжаление, резултатите са валидни само за водородния атом (но не обясняват всички спектрални наблюдения). За други елементи резултатите от изчисленията не отговарят на действителността. Така физиците все още не са имали теоретичен модел на атома.

Мистериите започнаха да се изясняват след единадесет години. Докторската дисертация на френския физик Лудвиг дьо Бройл се занимава с вълновите свойства на материалните частици. Вече е доказано, че светлината, освен типичните характеристики на вълната (дифракция, пречупване), се държи и като сбор от частици - фотони (например еластични сблъсъци с електрони). Но масови обекти? Предложението изглеждаше като несбъдната мечта за принц, който искаше да стане физик. Но през 1927 г. е проведен експеримент, който потвърждава хипотезата на де Бройл – електронният лъч се дифрагира върху метален кристал (5).

Откъде са дошли атомите?

Като всички останали: Голям взрив. Физиците смятат, че буквално за части от секундата от "нулевата точка" са се образували протони, неутрони и електрони, тоест съставните атоми. Няколко минути по-късно (когато Вселената се охлади и плътността на материята намаля), нуклоните се сляха заедно, образувайки ядрата на елементи, различни от водорода. Образува се най-голямо количество хелий, както и следи от следните три елемента. Само след 100 XNUMX В продължение на много години условията позволяваха на електроните да се свързват с ядрата - образуваха се първите атоми. Трябваше да чакам дълго за следващия. Случайните колебания в плътността предизвикаха образуването на плътности, които, когато се появиха, привличаха все повече и повече материя. Скоро в тъмнината на Вселената пламнаха първите звезди.

След около милиард години някои от тях започнаха да умират. В хода си те произвеждаха ядра на атоми до желязо. Сега, когато умряха, те ги разпространиха из целия регион и от пепелта се родиха нови звезди. Най-масивният от тях имаше ефектен край. По време на експлозиите на свръхнови ядрата са били бомбардирани с толкова много частици, че са се образували дори най-тежките елементи. Те образуваха нови звезди, планети, а на някои глобуси - живот.

Доказано е съществуването на вълни на материята. От друга страна, електрон в атом се разглежда като стояща вълна, поради което не излъчва енергия. Вълновите свойства на движещите се електрони бяха използвани за създаване на електронни микроскопи, които направиха възможно да се видят атоми за първи път (6). През следващите години работата на Вернер Хайзенберг и Ервин Шрьодингер (въз основа на хипотезата на де Бройл) направи възможно разработването на нов модел на електронните обвивки на атома, изцяло базиран на опита. Но това са въпроси извън обхвата на статията.

Мечтата на алхимиците се сбъдна

Естествените радиоактивни трансформации, при които се образуват нови елементи, са известни от края на 1919 век. През XNUMX, нещо, на което само природата е била способна досега. Ърнест Ръдърфорд през този период се занимава с взаимодействието на частиците с материята. По време на тестовете той забеляза, че протоните се появяват в резултат на облъчване с азотен газ.

Единственото обяснение на феномена беше реакцията между ядрата на хелия (частица и ядрото на изотопа на този елемент) и азота (7). В резултат на това се образуват кислород и водород (протонът е ядрото на най-лекия изотоп). Мечтата на алхимиците за трансмутация се сбъдна. През следващите десетилетия бяха произведени елементи, които не се срещат в природата.

Естествените радиоактивни препарати, излъчващи а-частици, вече не са подходящи за тази цел (кулоновата бариера на тежките ядра е твърде голяма, за да може лека частица да се доближи до тях). Ускорителите, предаващи огромна енергия на ядрата на тежките изотопи, се оказват „алхимични пещи“, в които предците на днешните химици се опитват да получат „краля на металите“ (8).

Всъщност какво да кажем за златото? Алхимиците най-често използвали живака като суровина за производството му. Трябва да се признае, че в този случай те имаха истински „нос“. Именно от живак, обработен с неутрони в ядрен реактор, за първи път е получено изкуствено злато. Металното парче е показано през 1955 г. на Атомната конференция в Женева.

Фиг. 6. Атоми на повърхността на златото, видими на изображението в сканиращ тунелен микроскоп.

7. Схема на първата човешка трансмутация на елементите

Новината за постижението на физиците дори нашумя за кратко на световните фондови борси, но сензационните съобщения в пресата бяха опровергани от информация за цената на добитата по този начин руда - тя е в пъти по-скъпа от естественото злато. Реакторите няма да заменят мината за ценни метали. Но изотопите и изкуствените елементи, произведени в тях (за целите на медицината, енергетиката, научните изследвания) са много по-ценни от златото.

8. Исторически циклотрон, синтезиращ първите няколко елемента след урана в периодичната таблица (Лаборатория за радиация на Лорънс, Калифорнийски университет, Бъркли, август 1939 г.)

За читателите, които биха искали да изследват въпросите, повдигнати в текста, препоръчвам поредица от статии на г-н Томаш Совински. Появява се в "Млада техника" през 2006-2010 г. (в рубриката "Как откриха"). Текстовете са достъпни и на сайта на автора на адрес: .

цикъл "С атом завинаги» Той започна с напомняне, че миналият век често се нарича ерата на атома. Разбира се, не може да не се отбележат фундаменталните постижения на физиците и химиците от XNUMX век в структурата на материята. През последните години обаче знанията за микрокосмоса се разширяват все по-бързо и по-бързо, разработват се технологии, които позволяват манипулиране на отделни атоми и молекули. Това ни дава право да твърдим, че истинската възраст на атома все още не е настъпила.