Са атомом кроз векове - 3. део

Радерфордов планетарни модел атома био је ближи стварности од Томсоновог „пудинга од грожђица“. Међутим, живот овог концепта трајао је само две године, али пре него што се прича о наследнику, време је да се открију следеће атомске тајне.

1. Изотопи водоника: стабилни прот и деутеријум и радиоактивни трицијум (фото: БруцеБлаус/Викимедиа Цоммонс).

нуклеарна лавина

Откриће феномена радиоактивности, које је означило почетак откривања мистерија атома, у почетку је угрозило основу хемије – закон периодичности. За кратко време идентификовано је неколико десетина радиоактивних супстанци. Неки од њих су имали иста хемијска својства, упркос различитој атомској маси, док су други, са истим масама, имали различита својства. Штавише, у делу периодног система где је требало да буду постављени због своје тежине, није било довољно слободног простора да их све смести. Периодични систем је изгубљен због лавине открића.

2. Реплика масеног спектрометра Џеј Џеј Томпсон из 1911. (фотографија: Џеф Дал/Викимедија Комонс)

Атомско језгро

Ово је 10-100 хиљада. пута мањи од целог атома. Ако би се језгро атома водоника повећало до величине лопте пречника 1 цм и ставило у центар фудбалског терена, тада би се електрон (мањи од главе игле) нашао у близини гола. (преко 50 м).

Скоро цела маса атома је концентрисана у језгру, на пример, за злато је скоро 99,98%. Замислите коцку овог метала тешку 19,3 тоне. Све језгра атома злата имају укупну запремину мању од 1/1000 мм3 (кугла пречника мањег од 0,1 мм). Стога је атом страшно празан. Читаоци морају израчунати густину основног материјала.

Решење за овај проблем пронашао је 1910. Фредерик Соди. Увео је појам изотопа, тј. варијетети истог елемента који се разликују по атомској маси (1). Тиме је довео у питање још један Далтонов постулат – од тог тренутка хемијски елемент више не би требало да се састоји од атома исте масе. Изотопска хипотеза је, након експерименталне потврде (масени спектрограф, 1911), такође омогућила да се објасне фракционе вредности атомских маса неких елемената - већина њих су мешавине многих изотопа, а атомска маса је пондерисани просек маса свих њих (2).

Компоненте језгра

Други Ратерфордов ученик, Хенри Мозли, проучавао је рендгенске зраке које емитују познати елементи 1913. године. За разлику од сложених оптичких спектра, рендгенски спектар је веома једноставан – сваки елемент емитује само две таласне дужине чије се таласне дужине лако доводе у корелацију са набојем његовог атомског језгра.

3. Један од рендгенских апарата које користи Моселеи (фото: Магнус Манске/Викимедиа Цоммонс)

Ово је омогућило да се по први пут прикаже реалан број постојећих елемената, као и да се утврди колико њих још увек није довољно да се попуне празнине у периодном систему (3).

Честица која носи позитивно наелектрисање назива се протон (грчки протон = први). Одмах се појавио још један проблем. Маса протона је приближно једнака 1 јединици. Док атомско језгро натријум са пуњењем од 11 јединица има масу од 23 јединице? Исти је, наравно, случај и са осталим елементима. То значи да у језгру морају постојати друге честице које немају наелектрисање. У почетку су физичари претпостављали да се ради о снажно везаним протонима са електронима, али је на крају доказано да се појавила нова честица – неутрон (лат. неутер = неутралан). Откриће ове елементарне честице (такозване основне „цигле“ које чине сву материју) направио је 1932. године енглески физичар Џејмс Чедвик.

Протони и неутрони се могу претворити једни у друге. Физичари спекулишу да су то облици честице зване нуклеон (латински нуцлеус = језгро).

Пошто је језгро најједноставнијег изотопа водоника протон, може се видети да је Вилијам Праут у својој хипотези о „водонику“ конструкција атома није превише погрешио (видети: „Атомом кроз векове – 2. део”; „Млади техничар” бр. 8/2015). У почетку је било чак и флуктуација између назива протон и "протон".

4. Фотоћелије на финишу – основа њиховог рада је фотоелектрични ефекат (фото: Иес / Викимедиа Цоммонс)

Није све дозвољено

Радерфордов модел је у време појављивања имао „урођени дефект”. Према Максвеловим законима електродинамике (потврђеним радио-емитовањем које је у то време већ функционисало), електрон који се креће у кругу треба да зрачи електромагнетни талас.

Тако губи енергију, услед чега пада на језгро. У нормалним условима, атоми не зраче (спектри се формирају када се загреју на високе температуре) и атомске катастрофе се не примећују (процењени животни век електрона је мањи од милионитог дела секунде).

Радерфордов модел је објаснио резултат експеримента расејања честица, али ипак није одговарао стварности.

Године 1913. људи су се „навикли“ на чињеницу да се енергија у микрокосмосу узима и шаље не у било којој количини, већ у порцијама, названим кванти. На основу тога, Макс Планк је објаснио природу спектра зрачења које емитују загрејана тела (1900), а Алберт Ајнштајн (1905) објаснио је тајне фотоелектричног ефекта, односно емисије електрона осветљеним металима (4).

5. Дифракциона слика електрона на кристалу тантал оксида показује његову симетричну структуру (фото: Свен.ховмоеллер/Викимедиа Цоммонс)

28-годишњи дански физичар Ниелс Бор побољшао је Радерфордов модел атома. Он је предложио да се електрони крећу само по орбитама које испуњавају одређене енергетске услове. Поред тога, електрони не емитују зрачење док се крећу, а енергија се апсорбује и емитује само када се пребацује између орбита. Претпоставке су биле у супротности са класичном физиком, али су се резултати добијени на њиховој основи (величина атома водоника и дужина линија његовог спектра) показали у складу са експериментом. новорођенче модел атому.

Нажалост, резултати су важили само за атом водоника (али нису објаснили сва спектрална запажања). За остале елементе, резултати прорачуна нису одговарали стварности. Дакле, физичари још нису имали теоријски модел атома.

Мистерије су почеле да се разјашњавају после једанаест година. Докторска дисертација француског физичара Лудвика де Броља бавила се таласним својствима материјалних честица. Већ је доказано да се светлост, поред типичних карактеристика таласа (дифракција, преламање), понаша и као скуп честица – фотона (на пример, еластични судари са електронима). Али масовни објекти? Овај предлог је изгледао као сан за принца који је желео да постане физичар. Међутим, 1927. године изведен је експеримент који је потврдио де Брољову хипотезу – сноп електрона се дифрактирао на металном кристалу (5).

Одакле су дошли атоми?

Као и сви други: Велики прасак. Физичари верују да су буквално у делићу секунде од „нулте тачке” настали протони, неутрони и електрони, односно саставни атоми. Неколико минута касније (када се универзум охладио и густина материје се смањила), нуклеони су се спојили, формирајући језгра других елемената осим водоника. Настала је највећа количина хелијума, као и трагови следећа три елемента. Тек након 100 КСНУМКС Дуги низ година услови су дозвољавали електронима да се вежу за језгра - формирани су први атоми. Морао сам дуго да чекам на следећи. Случајне флуктуације у густини изазвале су формирање густина, које су, како су се појавиле, привлачиле све више материје. Убрзо, у тами свемира, плануле су прве звезде.

После отприлике милијарду година, неки од њих су почели да умиру. У свом току су производили језгра атома све до гвожђа. Сада, када су умрли, проширили су их по целом региону, а нове звезде су се родиле из пепела. Најмасовнији од њих имао је спектакуларан завршетак. Током експлозија супернове, језгра су бомбардована са толико честица да су се формирали чак и најтежи елементи. Формирали су нове звезде, планете, а на неким глобусима - живот.

Доказано је постојање таласа материје. С друге стране, електрон у атому се сматрао стојећим таласом, због чега не зрачи енергију. Таласна својства покретних електрона коришћена су за прављење електронских микроскопа, који су омогућили да се први пут виде атоми (6). У наредним годинама, рад Вернера Хајзенберга и Ервина Шредингера (на основу де Брољове хипотезе) омогућио је развој новог модела електронских омотача атома, потпуно заснованог на искуству. Али ово су питања изван оквира чланка.

Сан алхемичара се остварио

Природне радиоактивне трансформације, у којима настају нови елементи, познате су од краја 1919. века. У КСНУМКС-у, нешто за шта је до сада била способна само природа. Ернест Рутхерфорд се током овог периода бавио интеракцијом честица са материјом. Током тестова приметио је да се протони појављују као резултат зрачења гасом азота.

Једино објашњење за овај феномен била је реакција између језгара хелијума (честице и језгра изотопа овог елемента) и азота (7). Као резултат, формирају се кисеоник и водоник (протон је језгро најлакшег изотопа). Остварио се сан алхемичара о трансмутацији. У наредним деценијама произведени су елементи који се не налазе у природи.

Природни радиоактивни препарати који емитују а-честице више нису били погодни за ову намену (Кулонова баријера тешких језгара је превелика да би им се лака честица приближила). Убрзивачи, који дају огромну енергију језгрима тешких изотопа, испоставили су се као „алхемијске пећи”, у којима су преци данашњих хемичара покушавали да добију „краља метала” (8).

У ствари, шта је са златом? Алхемичари су најчешће користили живу као сировину за њену производњу. Мора се признати да су у овом случају имали прави „нос“. Управо је од живе третиране неутронима у нуклеарном реактору прво добијено вештачко злато. Метални комад је приказан 1955. на Женевској атомској конференцији.

Слика 6. Атоми на површини злата, видљиви на слици у скенирајућем тунелском микроскопу.

7. Шема прве људске трансмутације елемената

Вест о достигнућу физичара изазвала је чак и кратку пометњу на светским берзама, али су сензационалне извештаје штампе оповргле информације о цени овако ископане руде – вишеструко је скупља од природног злата. Реактори неће заменити рудник племенитих метала. Али изотопи и вештачки елементи произведени у њима (за потребе медицине, енергетике, научних истраживања) много су вреднији од злата.

8. Историјски циклотрон који синтетише првих неколико елемената после уранијума у ​​периодном систему (Лабораторија за зрачење Лоренса, Универзитет Калифорније, Беркли, август 1939.)

За читаоце који желе да истраже питања покренута у тексту, препоручујем серију чланака господина Томаша Совинског. Појавио се у "Иоунг Тецхницс" 2006-2010 (под насловом "Како су открили"). Текстови су доступни и на сајту аутора на адреси: .

Циклус "Са атомом за векове» Почео је подсећањем да се прошли век често називао добом атома. Наравно, не може се не приметити фундаментална достигнућа физичара и хемичара КСНУМКС века у структури материје. Међутим, последњих година знање о микрокосмосу се шири све брже, развијају се технологије које омогућавају манипулацију појединачним атомима и молекулима. Ово нам даје за право да кажемо да стварна старост атома још није стигла.