Með atóm í gegnum aldirnar - hluti 3

Plánetulíkan Rutherfords af atóminu var nær raunveruleikanum en „rúsínubúðingur“ Thomsons. Líf þessarar hugmyndar entist þó aðeins í tvö ár, en áður en talað er um arftaka er kominn tími til að afhjúpa næstu atómleyndarmál.

1. Vetnissamsætur: Stöðugt prót og deuterium og geislavirkt trítíum (mynd: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

kjarnorku snjóflóð

Uppgötvunin á fyrirbærinu geislavirkni, sem markaði upphafið að því að afhjúpa leyndardóma atómsins, ógnaði upphaflega grundvelli efnafræðinnar - reglubundins lögmáls. Á skömmum tíma fundust nokkrir tugir geislavirkra efna. Sum þeirra höfðu sömu efnafræðilega eiginleika, þrátt fyrir mismunandi atómmassa, á meðan aðrir, með sama massa, höfðu mismunandi eiginleika. Þar að auki, á svæðinu í lotukerfinu þar sem þeir ættu að hafa verið settir vegna þyngdar þeirra, var ekki nóg pláss til að hýsa þá alla. Tímakerfið glataðist vegna snjóflóðs uppgötvana.

2. Eftirlíking af massarófsmæli J.J. Thompson frá 1911 (ljósmynd: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

atómkjarna

Þetta eru 10-100 þús. sinnum minni en allt atómið. Ef kjarna vetnisatóms væri stækkað á stærð við bolta með 1 cm þvermál og settur í miðju fótboltavallar, þá væri rafeind (minni en pinnahaus) nálægt marki (yfir 50 m).

Næstum allur massi atóms er samþjappaður í kjarnanum, til dæmis fyrir gull er hann tæplega 99,98%. Ímyndaðu þér tening af þessum málmi sem vegur 19,3 tonn. Allt kjarna atóma gull hefur heildarrúmmál minna en 1/1000 mm3 (kúla með þvermál minna en 0,1 mm). Þess vegna er atómið hræðilega tómt. Lesendur verða að reikna út þéttleika grunnefnisins.

Lausnin á þessu vandamáli fannst árið 1910 af Frederick Soddy. Hann kynnti hugtakið samsætur, þ.e. afbrigði af sama frumefni sem eru mismunandi í atómmassa (1). Þannig dró hann í efa aðra staðsetningu Daltons - frá þeirri stundu ætti frumefni ekki lengur að samanstanda af atómum með sama massa. Samsætutilgátan, eftir staðfestingu tilrauna (massalitróf, 1911), gerði það einnig mögulegt að útskýra brotagildi atómmassa sumra frumefna - flest þeirra eru blöndur margra samsæta, og atómmassa er vegið meðaltal massa þeirra allra (2).

Kjarnahlutir

Annar nemandi Rutherford, Henry Moseley, rannsakaði röntgengeisla frá þekktum frumefnum árið 1913. Ólíkt flóknu ljósrófinu er röntgengeislunarófið mjög einfalt - hvert frumefni gefur frá sér aðeins tvær bylgjulengdir, en bylgjulengd þeirra er auðvelt að tengja við hleðslu atómkjarna þess.

3. Ein af röntgentækjunum sem Moseley notar (mynd: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Þetta gerði það í fyrsta skipti mögulegt að kynna raunverulegan fjölda frumefna sem fyrir eru, sem og að ákvarða hversu mörg þeirra eru enn ekki nóg til að fylla í eyðurnar í lotukerfinu (3).

Ögn sem ber jákvæða hleðslu er kölluð róteind (gríska róteind = fyrsta). Annað vandamál kom strax upp. Massi róteindarinnar er um það bil jafn 1 einingu. Þar sem atómkjarna natríum með 11 einingar hleðslu hefur massa 23 einingar? Það sama á auðvitað við um aðra þætti. Þetta þýðir að það verða að vera aðrar agnir í kjarnanum og hafa ekki hleðslu. Upphaflega gerðu eðlisfræðingar ráð fyrir að þetta væru sterklega bundnar róteindir með rafeindum, en á endanum var sannað að ný ögn birtist - nifteind (latneskt hvorugkyn = hlutlaus). Uppgötvun þessarar frumeindar (svokölluðu „múrsteinanna“ sem mynda allt efni) var gerð árið 1932 af enska eðlisfræðingnum James Chadwick.

Róteindir og nifteindir geta breyst í hvor aðra. Eðlisfræðingar geta sér til um að þeir séu form ögn sem kallast kjarni (latneskt kjarni = kjarni).

Þar sem kjarni einfaldasta samsætunnar vetnis er róteind, má sjá að William Prout í "vetni" tilgátu sinni uppbyggingu atómsins hann hafði ekki of rangt fyrir sér (sjá: „Með atóminu í gegnum aldirnar - hluti 2“; „Ungur tæknimaður“ nr. 8/2015). Upphaflega voru jafnvel sveiflur á milli heitanna róteind og „róteind“.

4. Ljósmyndafrumur við frágang - grunnurinn að verkum þeirra er ljósahrifin (mynd: Ies / Wikimedia Commons)

Ekki er allt leyfilegt

Fyrirmynd Rutherfords þegar hún birtist var með „meðfæddan galla“. Samkvæmt lögmálum Maxwells um rafaflfræði (staðfest af útvarpsútsendingum sem þegar starfaði á þeim tíma), ætti rafeind sem hreyfist í hring að geisla frá sér rafsegulbylgju.

Þannig missir það orku, sem leiðir af því að það fellur á kjarnann. Við venjulegar aðstæður geislast frumeindir ekki (róf myndast við upphitun í háan hita) og atómshamfarir sjást ekki (áætlaður líftími rafeindarinnar er innan við einn milljónasti úr sekúndu).

Líkan Rutherfords útskýrði niðurstöður agnadreifingartilraunarinnar en var samt ekki í samræmi við raunveruleikann.

Árið 1913 „vönuðust“ menn því að orka í míkróheiminum er tekin og send ekki í neinu magni, heldur í skömmtum, sem kallast quanta. Á þessum grundvelli útskýrði Max Planck eðli litrófs geislunar frá hituðum líkama (1900) og Albert Einstein (1905) leyndarmál ljósrafmagnsáhrifa, þ.e. losun rafeinda frá upplýstum málmum (4).

5. Diffraction mynd af rafeindum á tantaloxíð kristal sýnir samhverfa uppbyggingu hans (mynd: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Hinn 28 ára danski eðlisfræðingur Niels Bohr bætti líkan Rutherfords af atóminu. Hann lagði til að rafeindir hreyfðust aðeins á brautum sem uppfylla ákveðin orkuskilyrði. Þar að auki gefa rafeindir ekki frá sér geislun þegar þær hreyfast og orka frásogast aðeins og gefur frá sér þegar þær eru færðar á milli brauta. Forsendurnar stanguðust á við klassíska eðlisfræði, en niðurstöður sem fengust á grundvelli þeirra (stærð vetnisatómsins og lengd lína litrófs þess) reyndust vera í samræmi við tilraunina. nýfæddur fyrirmynd atomu.

Því miður giltu niðurstöðurnar aðeins fyrir vetnisatómið (en útskýrðu ekki allar litrófsathuganir). Fyrir aðra þætti voru niðurstöður útreikninga ekki í samræmi við raunveruleikann. Þannig höfðu eðlisfræðingar ekki ennþá fræðilegt líkan af atóminu.

Leyndardómar fóru að skýrast eftir ellefu ár. Doktorsritgerð franska eðlisfræðingsins Ludwik de Broglie fjallaði um bylgjueiginleika efnisagna. Það hefur þegar verið sannað að ljós, til viðbótar við dæmigerða eiginleika bylgju (diffraction, brot), hegðar sér einnig eins og safn agna - ljóseindir (til dæmis teygjanlegir árekstrar við rafeindir). En fjöldahlutir? Tillagan virtist vera draumur fyrir prins sem vildi verða eðlisfræðingur. Hins vegar árið 1927 var gerð tilraun sem staðfesti tilgátu de Broglie - rafeindageislinn dreifðist á málmkristal (5).

Hvaðan komu frumeindir?

Eins og allir aðrir: Miklihvellur. Eðlisfræðingar trúa því að bókstaflega á sekúndubroti frá "núllpunkts" róteindunum, hafi nifteindir og rafeindir, það er að segja frumeindirnar, sem eru myndaðir. Nokkrum mínútum síðar (þegar alheimurinn kólnaði og þéttleiki efnis minnkaði) runnu frumurnar saman og mynduðu kjarna annarra frumefna en vetnis. Mesta magn helíums myndaðist, auk leifar af eftirfarandi þremur frumefnum. Aðeins eftir 100 XNUMX Í mörg ár gerðu aðstæður rafeindir kleift að bindast kjarna - fyrstu atómin mynduðust. Ég þurfti að bíða lengi eftir því næsta. Tilviljunarkenndar sveiflur í þéttleika ollu myndun þéttleika sem, eins og þær birtust, laðaði að sér sífellt meira efni. Fljótlega, í myrkri alheimsins, blossuðu fyrstu stjörnurnar upp.

Eftir um milljarð ára fóru sumir þeirra að deyja. Á námskeiðinu framleiddu þeir kjarna atóma niður í járn. Nú, þegar þeir dóu, dreifðu þeir þeim um allt svæðið, og nýjar stjörnur fæddust úr öskunni. Þeir stórbrotnustu þeirra áttu stórkostlegan endi. Við sprengistjörnusprengingar urðu svo margar agnir sprengjuárásir á kjarnann að jafnvel þyngstu frumefnin mynduðust. Þeir mynduðu nýjar stjörnur, plánetur og á sumum hnöttum - líf.

Það hefur verið sannað að efnisbylgjur séu til. Aftur á móti var litið á rafeind í atómi sem standbylgju, vegna þess að hún geislar ekki frá sér orku. Bylgjueiginleikar rafeinda á hreyfingu voru notaðir til að búa til rafeindasmásjár sem gerðu það mögulegt að sjá frumeindir í fyrsta skipti (6). Á síðari árum gerði verk Werner Heisenberg og Erwin Schrödinger (á grundvelli de Broglie tilgátunnar) mögulegt að þróa nýtt líkan af rafeindaskeljum atómsins, algjörlega byggt á reynslu. En þetta eru spurningar utan viðfangsefnis greinarinnar.

Draumur gullgerðarmannanna rættist

Náttúrulegar geislavirkar umbreytingar, þar sem ný frumefni myndast, hafa verið þekkt frá lokum 1919. aldar. Í XNUMX, eitthvað sem aðeins náttúran hefur getað hingað til. Ernest Rutherford var á þessu tímabili þátttakandi í samspili agna við efni. Í prófunum tók hann eftir því að róteindirnar komu fram vegna geislunar með köfnunarefnisgasi.

Eina skýringin á fyrirbærinu var hvarfið milli helíumkjarna (ögn og kjarna samsætu þessa frumefnis) og köfnunarefnis (7). Við það myndast súrefni og vetni (róteind er kjarni léttustu samsætunnar). Draumur gullgerðarmannanna um umbreytingu hefur ræst. Á næstu áratugum voru framleidd frumefni sem ekki finnast í náttúrunni.

Náttúrulegar geislavirkar efnablöndur sem gefa frá sér a-agnir voru ekki lengur hentugar í þessum tilgangi (Coulomb-hindrun þungra kjarna er of stór til að létt ögn geti nálgast þær). Hröðlarnir, sem miðla gífurlegri orku til kjarna þungra samsæta, reyndust vera „alkemískir ofnar“ þar sem forfeður efnafræðinga nútímans reyndu að ná „konungi málma“ (8).

Í raun, hvað með gull? Alkemistar notuðu oftast kvikasilfur sem hráefni til framleiðslu þess. Það verður að viðurkennast að í þessu tilfelli voru þeir með alvöru „nef“. Það var úr kvikasilfri sem var meðhöndlað með nifteindum í kjarnaofni sem gervigull fékkst fyrst. Málmverkið var sýnt árið 1955 á atómráðstefnunni í Genf.

Mynd 6. Atóm á yfirborði gulls, sjáanleg á myndinni í göngsmásjá.

7. Áætlun um fyrstu umbreytingu frumefna manna

Fréttin af afreki eðlisfræðinga olli jafnvel stuttu uppnámi í kauphöllum heimsins, en tilkomumiklum fréttaskýrslum var vísað á bug með upplýsingum um verð á málmgrýti sem unnið er á þennan hátt - það er margfalt dýrara en náttúrulegt gull. Kjarnakljúfar munu ekki koma í stað góðmálmnámunnar. En samsæturnar og gervi frumefnin sem framleidd eru í þeim (til læknisfræði, orku, vísindarannsókna) eru miklu verðmætari en gull.

8. Söguleg hringrás sem myndar fyrstu frumefnin eftir úran í lotukerfinu (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, ágúst 1939)

Fyrir lesendur sem vilja kanna málefnin sem koma fram í textanum mæli ég með röð greina eftir herra Tomasz Sowiński. Kom fram í "Young Technics" 2006-2010 (undir fyrirsögninni "Hvernig þeir uppgötvuðu"). Textarnir eru einnig aðgengilegir á heimasíðu höfundar á: .

Hringrás"Með atóm að eilífu» Hann byrjaði á því að minna á að liðin öld var oft kölluð aldur atómsins. Auðvitað getur maður ekki látið hjá líða að taka eftir grundvallarafrekum eðlis- og efnafræðinga á XNUMX. öld í uppbyggingu efnis. Hins vegar, á undanförnum árum, hefur þekking á örheiminum stækkað hraðar og hraðar, tækni er í þróun sem gerir kleift að stjórna einstökum atómum og sameindum. Þetta gefur okkur rétt til að segja að raunverulegur aldur atómsins sé ekki enn kominn.