Cu un atom de-a lungul veacurilor - partea 3

Modelul planetar al atomului al lui Rutherford era mai aproape de realitate decât „budinca de stafide” a lui Thomson. Cu toate acestea, viața acestui concept a durat doar doi ani, dar înainte de a vorbi despre un succesor, este timpul să dezvălui următoarele secrete atomice.

1. Izotopi ai hidrogenului: prot stabil și deuteriu și tritiu radioactiv (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

Avalanșă atomică

Descoperirea fenomenului de radioactivitate, care a marcat începutul dezvăluirii misterelor atomului, a amenințat inițial baza chimiei - legea periodicității. În scurt timp, au fost identificate câteva zeci de substanțe radioactive. Unele dintre ele aveau aceleași proprietăți chimice, în ciuda maselor atomice diferite, în timp ce altele, cu aceleași mase, aveau proprietăți diferite. Mai mult, în zona tabelului periodic unde trebuiau plasate din cauza greutății lor, nu era suficient spațiu liber pentru a le găzdui pe toate. Tabelul periodic a fost pierdut din cauza unei avalanșe de descoperiri.

2. Replica spectrometrului de masă J. J. Thompson din 1911 (foto: Jeff Dahl / Wikimedia Commons)

Nucleul atomic

Aceasta este 10-100 de mii. ori mai mic decât întregul atom. Dacă nucleul unui atom de hidrogen ar fi mărit la dimensiunea unei mingi cu diametrul de 1 cm și plasat în centrul unui teren de fotbal, atunci electronul (mai mic decât capul unui știft) ar ajunge în vecinătatea obiectivul (peste 50 m).

Aproape întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleu; de exemplu, pentru aur este de aproape 99,98%. Imaginează-ți un cub din acest metal cântărind 19,3 tone. Toate nuclee atomice aurul are un volum total mai mic de 1/1000 mm3 (o bila cu diametrul mai mic de 0,1 mm). Prin urmare, atomul este teribil de gol. Cititorii trebuie să calculeze densitatea substanței de bază.

Soluția la această problemă a fost găsită în 1910 de Frederick Soddy. El a introdus conceptul de izotopi, i.e. varietăți ale aceluiași element care diferă prin masa lor atomică (1). Astfel, a pus sub semnul întrebării un alt postulat al lui Dalton - de acum înainte, un element chimic nu ar trebui să mai fie format din atomi de aceeași masă. Ipoteza izotopului, după confirmarea experimentală (spectrograf de masă, 1911), a făcut posibilă și explicarea valorilor fracționale ale maselor atomice ale unor elemente - majoritatea dintre ele sunt amestecuri de mulți izotopi și masă atomică este media ponderată a maselor tuturor (2).

Componentele kernelului

Un alt elev al lui Rutherford, Henry Moseley, a studiat razele X emise de elemente cunoscute în 1913. Spre deosebire de spectre optice complexe, spectrul de raze X este foarte simplu - fiecare element emite doar două unde, ale căror lungimi sunt ușor legate de sarcina nucleului său atomic.

3. Unul dintre aparatele cu raze X folosite de Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Acest lucru a făcut posibil pentru prima dată să se prezinte numărul real de elemente care există, precum și să se determine câte dintre ele încă lipsesc pentru a umple golurile din tabelul periodic (3).

Particula care poartă o sarcină pozitivă se numește proton (greacă: proton = primul). Imediat a apărut o altă problemă. Masa unui proton este de aproximativ 1 unitate. Întrucât nucleul atomic sodiul cu o sarcină de 11 unități are o masă de 23 de unități? Același lucru este, desigur, și în cazul altor elemente. Aceasta înseamnă că trebuie să existe alte particule prezente în nucleu care nu au încărcătură. Inițial, fizicienii au presupus că aceștia erau protoni strâns legați cu electroni, dar în cele din urmă s-a dovedit că a apărut o nouă particulă - neutronul (latina neuter = neutru). Descoperirea acestei particule elementare (așa-numitele „blocuri” de bază din care constă toată materia) a fost făcută în 1932 de către fizicianul englez James Chadwick.

Protonii și neutronii se pot transforma unul în altul. Fizicienii susțin că acestea sunt forme ale unei particule numite nucleon (în latină nucleus = nucleu).

Deoarece nucleul celui mai simplu izotop al hidrogenului este un proton, este clar că William Prout în ipoteza sa „hidrogen” construcția atomului nu s-a înșelat prea mult (vezi: „Cu atomul de-a lungul secolelor – partea 2”; „Tânărul tehnician” Nr. 8/2015). Inițial a existat chiar ezitare între denumirile de proton și „prouton”.

4. Fotocelule la finisare - lucrul lor se bazează pe efectul fotoelectric (foto: Ies/Wikimedia Commons)

Nu totul este permis

Modelul lui Rutherford avea un „defect de naștere” la momentul introducerii sale. Conform legilor electrodinamicii lui Maxwell (confirmate de radiodifuziunea deja în funcțiune la acel moment), un electron care se mișcă într-un cerc ar trebui să emită o undă electromagnetică.

Astfel, pierde energie, făcându-l să cadă pe miez. În condiții normale, atomii nu emit (spectrele se formează atunci când sunt încălzite la temperaturi ridicate) și nu se observă catastrofe atomice (durata de viață estimată a unui electron este mai mică de o milioneme de secundă).

Modelul lui Rutherford a explicat rezultatul experimentului de împrăștiere a particulelor, dar tot nu corespundea realității.

În 1913, oamenii s-au „obișnuit” cu faptul că energia din microcosmos este preluată și trimisă nu în orice cantitate, ci în porțiuni numite cuante. Pe această bază, Max Planck a explicat natura spectrelor radiațiilor emise de corpurile încălzite (1900), iar Albert Einstein (1905) a explicat secretele efectului fotoelectric, adică emisia de electroni de către metalele iluminate (4).

5. O imagine de difracție a electronilor pe un cristal de oxid de tantal arată structura sa simetrică (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Fizicianul danez Niels Bohr, în vârstă de 28 de ani, a îmbunătățit modelul atomic al lui Rutherford. El a propus ca electronii să se miște numai pe orbite care îndeplinesc anumite condiții de energie. În plus, electronii nu emit radiații atunci când se mișcă, iar energia este absorbită și emisă doar atunci când se deplasează între orbite. Ipotezele au contrazis fizica clasică, dar rezultatele obținute pe baza lor (dimensiunea atomului de hidrogen și lungimea liniilor spectrului său) s-au dovedit a fi în concordanță cu experimentul. S-a născut unul nou model atomu.

Din păcate, rezultatele au fost valabile doar pentru atomul de hidrogen (dar nu au explicat toate observațiile spectrale). Pentru elementele rămase, rezultatele calculului nu corespundeau realității. Astfel, fizicienii nu aveau încă un model teoretic al atomului.

Secretele au început să devină clare după unsprezece ani. Teza de doctorat a fizicianului francez Ludwick de Broglie a vizat proprietățile undei ale particulelor materiale. S-a dovedit deja că lumina, pe lângă caracteristicile tipice ale unei unde (difracție, refracție), se comportă și ca o colecție de particule - fotoni (de exemplu, ciocniri elastice cu electronii). Dar obiecte de masă? Presupunerea i s-a părut un vis pentru prinț, care dorea să devină fizician. Cu toate acestea, în 1927, a fost efectuat un experiment care a confirmat ipoteza lui de Broglie - un flux de electroni difracți pe un cristal de metal (5).

De unde provin atomii?

Ca toți ceilalți: Big Bang. Fizicienii cred că literalmente într-o fracțiune de secundă de la „punctul zero” s-au format protoni, neutroni și electroni, adică atomii constituenți. După câteva minute (pe măsură ce Universul s-a răcit și densitatea materiei a scăzut), nucleonii s-au fuzionat împreună pentru a forma nucleele altor elemente decât hidrogenul. A fost produsă cea mai mare cantitate de heliu, precum și urme ale următoarelor trei elemente. Abia după 100 de ani, condițiile au făcut posibilă legarea electronilor de nuclee – s-au format primii atomi. A trebuit să așteptăm mult pentru următoarele. Fluctuațiile aleatorii ale densității au determinat formarea densităților, care, pe măsură ce au apărut, au atras din ce în ce mai multă materie. Curând, primele stele au apărut în întunericul Universului.

După aproximativ un miliard de ani, unii dintre ei au început să moară. În cursul lor au produs nuclee atomice chiar până la fierul de călcat. Acum, pe măsură ce au murit, le-au răspândit în toată regiunea, iar din cenușă s-au născut noi stele. Cea mai masivă dintre ele a avut un final spectaculos. În timpul exploziilor de supernove, nucleele au fost bombardate cu atât de multe particule încât s-au format chiar și cele mai grele elemente. Din ele s-au format noi stele, planete și pe unele globuri - viața.

Existența undelor de materie a fost dovedită. Pe de altă parte, un electron dintr-un atom a fost considerat o undă staționară, datorită căreia nu radiază energie. Proprietățile undelor electronilor în mișcare au fost folosite pentru a crea microscoape electronice, permițând atomilor să fie văzuți pentru prima dată (6). În anii următori, lucrările lui Werner Heisenberg și Erwin Schrödinger (bazate pe ipoteza lui de Broglie) au permis dezvoltarea unui nou model complet empiric al învelișurilor de electroni ale atomului. Dar acestea sunt întrebări dincolo de scopul acestui articol.

Visul alchimiștilor s-a împlinit

Transformările radioactive naturale, în timpul cărora se formează elemente noi, sunt cunoscute încă de la sfârșitul secolului 1919. În XNUMX, ceva de care numai natura a fost capabilă până acum. În această perioadă, Ernest Rutherford a studiat interacțiunea particulelor cu materia. În timpul testării, el a observat că protonii au apărut ca urmare a iradierii cu azot gazos.

Singura explicație pentru fenomen a fost o reacție între nucleele de heliu (o particulă și nucleul unui izotop al acestui element) și azot (7). Ca rezultat, se formează oxigen și hidrogen (protonul este nucleul celui mai ușor izotop). Visul de transmutare al alchimiștilor s-a împlinit. În deceniile următoare au fost produse elemente care nu apar în natură.

Preparatele radioactive naturale care emit particule alfa nu mai erau potrivite în acest scop (bariera coulombiană a nucleelor ​​grele este prea mare pentru ca o particulă ușoară să se apropie de ele). Acceleratoarele care imprimă energie enormă nucleelor ​​izotopilor grei s-au dovedit a fi „cuptoare alchimice” în care strămoșii chimiștilor de astăzi au încercat să obțină „regele metalelor” (8).

De fapt, ce zici de aur? Alchimiștii au folosit cel mai adesea mercurul ca materie primă pentru producerea lui. Trebuie să recunoaștem că în acest caz aveau un adevărat „nas”. Din mercurul tratat cu neutroni într-un reactor nuclear a fost obținut pentru prima dată aur artificial. Piesa de metal a fost prezentată în 1955 la Conferința atomică de la Geneva.

6. Atomi de pe suprafața aurului, vizibili într-o imagine de microscop cu scanare tunel.

7. Schema primei transmutări umane a elementelor

Vestea realizării fizicienilor a provocat chiar o agitație de scurtă durată în schimburile mondiale, dar rapoartele senzaționale de presă au fost infirmate de informații despre prețul minereului extras în acest fel - este de multe ori mai scump decât aurul natural. Reactoarele nu vor înlocui o mină de metale prețioase. Dar izotopii și elementele artificiale produse în ele (în scopuri de medicină, energie, cercetare științifică) sunt mult mai valoroși decât aurul.

8. Ciclotronul istoric care sintetizează primele câteva elemente după uraniu în tabelul periodic (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, august 1939)

Pentru cititorii care ar dori să exploreze problemele ridicate în text, recomand seria de articole ale domnului Tomasz Sowiński. A apărut în „Tehnica tânără” în 2006-2010 (în secțiunea „Cum a fost descoperită”). Textele sunt disponibile și pe site-ul autorului la adresa: .

Ciclu"Cu un atom pentru totdeauna„Am început cu o amintire că secolul trecut a fost adesea numit vârsta atomului. Desigur, nu se poate nu remarca realizările fundamentale ale fizicienilor și chimiștilor din secolul al XNUMX-lea în structura materiei. Cu toate acestea, în ultimii ani, cunoștințele despre microlume se extind din ce în ce mai repede, iar tehnologiile sunt dezvoltate care fac posibilă manipularea atomilor și moleculelor individuale. Acest lucru ne dă dreptul să spunem că vârsta reală a atomului nu a sosit încă.