Z atomem przez wieki - część 3

Planetarny model atomu Rutherforda był bliższy rzeczywistości niż „budyń z rodzynkami” Thomsona. Życie tego konceptu trwało jednak zaledwie dwa lata, ale zanim będzie mowa o następcy, czas rozwikłać kolejne atomowe tajemnice.

1. Izotopy wodoru: stabilny prot i deuter oraz radioaktywny tryt (fot. BruceBlaus/Wikimedia Commons).

lawina nuklearna

Odkrycie zjawiska promieniotwórczości, które zapoczątkowało odkrywanie tajemnic atomu, początkowo zagroziło podstawom chemii - prawu okresowości. W krótkim czasie zidentyfikowano kilkadziesiąt substancji radioaktywnych. Niektóre z nich miały te same właściwości chemiczne, pomimo różnej masy atomowej, podczas gdy inne, o tych samych masach, miały inne właściwości. Co więcej, w obszarze układu okresowego pierwiastków, w którym ze względu na swój ciężar powinny być umieszczone, nie było wystarczająco dużo wolnego miejsca, aby pomieścić je wszystkie. Układ okresowy pierwiastków zaginął w wyniku lawiny odkryć.

2. Replika spektrometru masowego J.J. Thompsona z 1911 roku (zdjęcie: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

jądro atomowe

To jest 10-100 tys. razy mniejszy od całego atomu. Gdyby jądro atomu wodoru zostało powiększone do rozmiarów kuli o średnicy 1 cm i umieszczone na środku boiska piłkarskiego, to elektron (mniejszy od główki szpilki) znalazłby się w pobliżu bramki (ponad 50m).

Prawie cała masa atomu jest skoncentrowana w jądrze, na przykład dla złota jest to prawie 99,98%. Wyobraź sobie sześcian tego metalu o wadze 19,3 tony. Wszystko jądra atomów złota mają całkowitą objętość mniejszą niż 1/1000 mm3 (kula o średnicy mniejszej niż 0,1 mm). Dlatego atom jest strasznie pusty. Czytelnicy muszą obliczyć gęstość materiału bazowego.

Rozwiązanie tego problemu znalazł w 1910 roku Frederick Soddy. Wprowadził pojęcie izotopów, tj. odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową (1). Tym samym poddał w wątpliwość kolejny postulat Daltona – od tego momentu pierwiastek chemiczny nie powinien już składać się z atomów o tej samej masie. Hipoteza izotopowa, po potwierdzeniu eksperymentalnym (spektrograf masowy, 1911), umożliwiła również wyjaśnienie ułamkowych wartości mas atomowych niektórych pierwiastków – większość z nich to mieszaniny wielu izotopów, a masa atomowa jest średnią ważoną mas wszystkich z nich (2).

Komponenty jądra

Inny uczeń Rutherforda, Henry Moseley, badał promieniowanie rentgenowskie emitowane przez znane pierwiastki w 1913 roku. W przeciwieństwie do złożonych widm optycznych, widmo rentgenowskie jest bardzo proste - każdy pierwiastek emituje tylko dwie długości fal, których długości są łatwo skorelowane z ładunkiem jego jądra atomowego.

3. Jeden z aparatów rentgenowskich używanych przez Moseleya (fot. Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Umożliwiło to po raz pierwszy przedstawienie rzeczywistej liczby istniejących pierwiastków, a także określenie, ile z nich wciąż nie wystarcza do wypełnienia luk w układzie okresowym (3).

Cząstka posiadająca ładunek dodatni nazywana jest protonem (gr. proton = pierwszy). Od razu pojawił się kolejny problem. Masa protonu jest w przybliżeniu równa 1 jednostce. Mając na uwadze, że jądro atomowe sód o ładunku 11 jednostek ma masę 23 jednostek? Podobnie rzecz się ma oczywiście z innymi elementami. Oznacza to, że w jądrze muszą znajdować się inne cząstki, które nie mają ładunku. Początkowo fizycy zakładali, że są to silnie związane protony z elektronami, ale ostatecznie udowodniono, że pojawiła się nowa cząstka - neutron (łac. neuter = neutralny). Odkrycia tej cząstki elementarnej (tzw. podstawowych „cegieł”, z których składa się cała materia) dokonał w 1932 roku angielski fizyk James Chadwick.

Protony i neutrony mogą zamieniać się w siebie. Fizycy spekulują, że są to formy cząstki zwanej nukleonem (łac. nucleus = nucleus).

Ponieważ jądrem najprostszego izotopu wodoru jest proton, można zauważyć, że William Prout w swojej hipotezie „wodoru” struktura atomu nie mylił się zbytnio (patrz: „Z atomem przez wieki – cz. 2”; „Młody Technik” nr 8/2015). Początkowo występowały nawet wahania między nazwami proton i „proton”.

4. Fotokomórki na mecie – podstawą ich działania jest efekt fotoelektryczny (fot. Ies/Wikimedia Commons)

Nie wszystko jest dozwolone

Model Rutherforda w momencie swojego pojawienia się miał „wadę wrodzoną”. Zgodnie z prawami elektrodynamiki Maxwella (potwierdzonymi przez funkcjonujące już wówczas radiofonie) elektron poruszający się po okręgu powinien emitować falę elektromagnetyczną.

W ten sposób traci energię, w wyniku czego spada na jądro. W normalnych warunkach atomy nie promieniują (po podgrzaniu do wysokich temperatur powstają widma) i nie obserwuje się katastrof atomowych (szacowany czas życia elektronu to mniej niż jedna milionowa sekundy).

Model Rutherforda wyjaśnił wynik eksperymentu z rozpraszaniem cząstek, ale nadal nie odpowiadał rzeczywistości.

W 1913 roku ludzie „przyzwyczaili się” do tego, że energia w mikrokosmosie jest pobierana i wysyłana nie w dowolnej ilości, ale w porcjach, zwanych kwantami. Na tej podstawie Max Planck wyjaśnił naturę widma promieniowania emitowanego przez ogrzane ciała (1900), a Albert Einstein (1905) tajemnice efektu fotoelektrycznego, czyli emisji elektronów przez oświetlone metale (4).

5. Obraz dyfrakcyjny elektronów na krysztale tlenku tantalu pokazuje jego symetryczną strukturę (fot. Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-letni duński fizyk Niels Bohr udoskonalił model atomu Rutherforda. Zasugerował, że elektrony poruszają się tylko po orbitach spełniających określone warunki energetyczne. Ponadto elektrony nie emitują promieniowania podczas ruchu, a energia jest pochłaniana i emitowana tylko podczas przemieszczania między orbitami. Założenia przeczyły fizyce klasycznej, ale uzyskane na ich podstawie wyniki (wielkość atomu wodoru i długość linii jego widma) okazały się zgodne z eksperymentem. nowo narodzony model atomu.

Niestety, wyniki były ważne tylko dla atomu wodoru (ale nie wyjaśniały wszystkich obserwacji spektralnych). W przypadku pozostałych elementów wyniki obliczeń nie odpowiadały rzeczywistości. Tak więc fizycy nie mieli jeszcze teoretycznego modelu atomu.

Tajemnice zaczęły się wyjaśniać po jedenastu latach. Rozprawa doktorska francuskiego fizyka Ludwika de Broglie dotyczyła właściwości falowych cząstek materialnych. Udowodniono już, że światło poza typowymi cechami fali (dyfrakcja, załamanie) zachowuje się również jak zbiór cząstek - fotonów (np. sprężyste zderzenia z elektronami). Ale obiekty masowe? Sugestia wydawała się mrzonką księcia, który chciał zostać fizykiem. Jednak w 1927 roku przeprowadzono eksperyment, który potwierdził hipotezę de Broglie'a - wiązka elektronów ugięta na krysztale metalu (5).

Skąd się wzięły atomy?

Jak wszyscy: Wielki Wybuch. Fizycy uważają, że dosłownie w ułamku sekundy z „punktu zerowego” powstały protony, neutrony i elektrony, czyli atomy składowe. Kilka minut później (kiedy Wszechświat ostygł, a gęstość materii spadła) nukleony połączyły się, tworząc jądra pierwiastków innych niż wodór. Powstało najwięcej helu, a także śladowe ilości następujących trzech pierwiastków. Dopiero po 100 XNUMX roku Przez wiele lat warunki pozwalały elektronom wiązać się z jądrami - powstały pierwsze atomy. Na następny musiałem długo czekać. Przypadkowe fluktuacje gęstości powodowały powstawanie gęstości, które w miarę pojawiania się przyciągały coraz więcej materii. Wkrótce w ciemnościach wszechświata rozbłysły pierwsze gwiazdy.

Po około miliardzie lat niektóre z nich zaczęły umierać. W ich trakcie produkowali jądra atomów aż do żelaza. Teraz, kiedy umarli, rozrzucili je po całym regionie, a z popiołów narodziły się nowe gwiazdy. Najbardziej masywny z nich miał spektakularny finał. Podczas wybuchów supernowych jądra były bombardowane tyloma cząstkami, że powstały nawet najcięższe pierwiastki. Tworzyły nowe gwiazdy, planety, a na niektórych globusach życie.

Istnienie fal materii zostało udowodnione. Z drugiej strony elektron w atomie został uznany za falę stojącą, dzięki czemu nie promieniuje energią. Właściwości falowe poruszających się elektronów wykorzystano do stworzenia mikroskopów elektronowych, które po raz pierwszy umożliwiły zobaczenie atomów (6). W kolejnych latach prace Wernera Heisenberga i Erwina Schrödingera (w oparciu o hipotezę de Broglie'a) umożliwiły opracowanie nowego modelu powłok elektronowych atomu, całkowicie opartego na doświadczeniu. Ale to są pytania wykraczające poza zakres artykułu.

Spełniło się marzenie alchemików

Naturalne przemiany promieniotwórcze, w których powstają nowe pierwiastki, znane są od końca XIX wieku. W 1919 coś, do czego do tej pory zdolna była tylko natura. Ernest Rutherford w tym okresie zajmował się oddziaływaniem cząstek z materią. Podczas testów zauważył, że protony pojawiły się w wyniku napromieniowania gazowym azotem.

Jedynym wytłumaczeniem tego zjawiska była reakcja jąder helu (cząstki i jądra izotopu tego pierwiastka) z azotem (7). W rezultacie powstaje tlen i wodór (proton jest jądrem najlżejszego izotopu). Spełniło się marzenie alchemików o transmutacji. W kolejnych dziesięcioleciach wytwarzano pierwiastki niespotykane w przyrodzie.

Naturalne preparaty radioaktywne emitujące cząstki a nie nadawały się już do tego celu (bariera kulombowska ciężkich jąder jest zbyt duża, aby lekka cząstka mogła się do nich zbliżyć). Akceleratory, nadające olbrzymią energię jądrom ciężkich izotopów, okazały się „piecemi alchemicznymi”, w których przodkowie dzisiejszych chemików próbowali uzyskać „króla metali” (8).

Właściwie, co ze złotem? Alchemicy najczęściej używali rtęci jako surowca do jej produkcji. Trzeba przyznać, że w tym przypadku mieli prawdziwy „nos”. To właśnie z rtęci potraktowanej neutronami w reaktorze jądrowym po raz pierwszy uzyskano sztuczne złoto. Metalowy kawałek został pokazany w 1955 roku na Genewskiej Konferencji Atomowej.

Ryc. 6. Atomy na powierzchni złota widoczne na obrazie ze skaningowego mikroskopu tunelowego.

7. Schemat pierwszej ludzkiej transmutacji żywiołów

Wiadomość o wyczynach fizyków wywołała nawet krótkie poruszenie na światowych giełdach, jednak sensacyjne doniesienia prasowe obaliły informacje o cenie wydobywanej w ten sposób rudy - jest ona wielokrotnie droższa od naturalnego złota. Reaktory nie zastąpią kopalni metali szlachetnych. Ale produkowane w nich izotopy i sztuczne pierwiastki (na potrzeby medycyny, energetyki, badań naukowych) są znacznie cenniejsze niż złoto.

8. Historyczny cyklotron syntetyzujący kilka pierwszych pierwiastków w układzie okresowym pierwiastków po uranie (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, sierpień 1939)

Czytelnikom, którzy chcieliby zgłębić poruszane w tekście zagadnienia, polecam cykl artykułów pana Tomasza Sowińskiego. Ukazywali się w „Młodej Technice” w latach 2006-2010 (pod hasłem „Jak odkryli”). Teksty są również dostępne na stronie internetowej autora pod adresem: .

cykl "Z atomem na zawsze» Rozpoczął od przypomnienia, że ​​miniony wiek często nazywany był wiekiem atomu. Oczywiście nie można nie zauważyć fundamentalnych osiągnięć fizyków i chemików XIX wieku w strukturze materii. Jednak w ostatnich latach wiedza o mikrokosmosie poszerza się coraz szybciej, rozwijane są technologie pozwalające manipulować pojedynczymi atomami i cząsteczkami. To daje nam prawo powiedzieć, że prawdziwy wiek atomu jeszcze nie nadszedł.