Ғасырлар бойы атоммен - 3 бөлім

Томсонның «мейіз пудингіне» қарағанда Резерфордтың атомның планетарлық моделі шындыққа жақын болды. Дегенмен, бұл тұжырымдаманың өмірі екі жылға созылды, бірақ мұрагер туралы айтпас бұрын, келесі атомдық құпияларды ашудың уақыты келді.

1. Сутегі изотоптары: тұрақты прот және дейтерий және радиоактивті тритий (фото: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

ядролық көшкін

Атом құпиясын ашудың бастауы болған радиоактивтілік құбылысының ашылуы алғашында химияның негізі – мерзімділік заңына қауіп төндірді. Аз уақыт ішінде бірнеше ондаған радиоактивті заттар анықталды. Олардың кейбіреулерінің атомдық массалары әртүрлі болғанымен, химиялық қасиеттері бірдей болса, ал басқалары бірдей массаларымен әртүрлі қасиеттерге ие болды. Сонымен қатар, олардың салмағына байланысты оларды орналастыру керек болатын мерзімді кесте аймағында олардың барлығын орналастыру үшін бос орын жеткіліксіз болды. Периодтық кесте ашылымдардың көшкініне байланысты жоғалды.

2. Дж.Дж.Томпсонның 1911 жылғы масс-спектрометрінің көшірмесі (фото: Джефф Дал/Wikimedia Commons)

Атом ядросы

Бұл 10-100 мың. бүкіл атомнан есе аз. Егер сутегі атомының ядросын диаметрі 1 см доптың өлшеміне дейін үлкейтіп, футбол алаңының ортасына орналастыратын болса, онда электрон (түйреуіш басынан кіші) қақпаның маңында болар еді. (50 м-ден астам).

Атомның барлық дерлік массасы ядрода шоғырланған, мысалы, алтын үшін ол шамамен 99,98% құрайды. Салмағы 19,3 тонна болатын осы металдың кубын елестетіңіз. Бәрі атомдардың ядролары алтынның жалпы көлемі 1/1000 мм3-ден аз (диаметрі 0,1 мм-ден аз шар). Сондықтан атом өте бос. Оқырмандар негізгі материалдың тығыздығын есептеу керек.

Бұл мәселенің шешімін 1910 жылы Фредерик Содди тапты. Ол изотоптар ұғымын енгізді, яғни. атомдық массасы бойынша ерекшеленетін бір элементтің сорттары (1). Осылайша, ол Дальтонның тағы бір постулатын күмән тудырды - осы сәттен бастап химиялық элемент енді бір массалық атомдардан тұруы керек. Тәжірибелік растаудан кейін изотоптық гипотеза (масс-спектрограф, 1911 ж.) кейбір элементтердің атомдық массаларының бөлшек мәндерін түсіндіруге мүмкіндік берді - олардың көпшілігі көптеген изотоптардың қоспалары және атомдық массасы олардың барлығының массаларының орташа алынған мәні (2).

Ядро компоненттері

Резерфордтың тағы бір шәкірті Генри Мозли 1913 жылы белгілі элементтер шығаратын рентген сәулелерін зерттеді. Күрделі оптикалық спектрлерден айырмашылығы, рентгендік спектр өте қарапайым - әрбір элемент тек екі толқын ұзындығын шығарады, олардың толқын ұзындығы оның атом ядросының зарядымен оңай корреляцияланады.

3. Мозли пайдаланатын рентген аппараттарының бірі (фото: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Бұл бірінші рет бар элементтердің нақты санын ұсынуға, сондай-ақ олардың қаншасы периодтық жүйедегі бос орындарды толтыруға әлі жеткіліксіз екенін анықтауға мүмкіндік берді (3).

Оң заряды бар бөлшек протон деп аталады (грекше протон = бірінші). Тағы бір мәселе бірден пайда болды. Протонның массасы шамамен 1 бірлікке тең. Ал атом ядросы Заряды 11 бірлік натрийдің массасы 23 бірлік? Бұл, әрине, басқа элементтерге қатысты. Бұл ядрода заряды жоқ басқа бөлшектер болуы керек дегенді білдіреді. Алғашында физиктер бұлар электрондармен қатты байланысқан протондар деп есептеді, бірақ соңында жаңа бөлшек – нейтрон (латынша neuter = бейтарап) пайда болғаны дәлелденді. Бұл элементар бөлшекті (барлық материяны құрайтын негізгі «кірпіш» деп аталатын) ашуды 1932 жылы ағылшын физигі Джеймс Чедвик ашты.

Протондар мен нейтрондар бір-біріне айнала алады. Физиктер оларды нуклон (латынша ядро ​​= ядро) деп аталатын бөлшектің формалары деп болжайды.

Сутегінің ең қарапайым изотопының ядросы протон болғандықтан, Уильям Проут өзінің «сутегі» гипотезасында атом құрылысы ол қателескен жоқ (қараңыз: «Атоммен ғасырлар бойы - 2 бөлім»; «Жас техник» № 8/2015). Бастапқыда протон мен «протон» атауларының арасында тіпті ауытқулар болды.

4. Фиништегі фотоэлементтер – олардың жұмысының негізі фотоэффект болып табылады (фото: Ies / Wikimedia Commons)

Барлығына рұқсат етілмейді

Резерфорд моделі пайда болған кезде «туа біткен ақау» болды. Максвеллдің электродинамика заңдарына сәйкес (сол кезде жұмыс істеп тұрған радиохабармен расталады) шеңбер бойымен қозғалатын электрон электромагниттік толқынды шығаруы керек.

Осылайша ол энергияны жоғалтады, нәтижесінде ол ядроға түседі. Қалыпты жағдайда атомдар сәулеленбейді (жоғары температураға дейін қыздырғанда спектрлер түзіледі) және атомдық апаттар байқалмайды (электронның есептелген өмір сүру ұзақтығы секундтың миллионнан бір бөлігінен аз).

Резерфорд моделі бөлшектердің шашырау тәжірибесінің нәтижесін түсіндірді, бірақ бәрібір шындыққа сәйкес келмеді.

1913 жылы адамдар микроәлемдегі энергияның кез келген мөлшерде емес, кванттар деп аталатын бөліктерде қабылданып, жіберілетініне «үйренді». Осының негізінде Макс Планк қыздырылған денелер шығаратын сәулелену спектрлерінің табиғатын түсіндірді (1900), ал Альберт Эйнштейн (1905) фотоэффекттің құпияларын, яғни жарықтандырылған металдардың электрондарды шығаруын түсіндірді (4).

5. Тантал оксидінің кристалындағы электрондардың дифракциялық бейнесі оның симметриялық құрылымын көрсетеді (фото: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 жастағы дат физигі Нильс Бор Резерфордтың атом моделін жетілдірді. Ол электрондар тек белгілі бір энергетикалық шарттарды қанағаттандыратын орбиталарда қозғалады деп ұсынды. Сонымен қатар, электрондар қозғалған кезде сәуле шығармайды, ал энергия тек орбиталар арасында шунтталған кезде ғана жұтылады және шығарылады. Болжамдар классикалық физикаға қайшы келді, бірақ олардың негізінде алынған нәтижелер (сутегі атомының мөлшері және оның спектрінің сызықтарының ұзындығы) экспериментке сәйкес болды. жаңа туған атом үлгісі.

Өкінішке орай, нәтижелер тек сутегі атомы үшін жарамды болды (бірақ барлық спектрлік бақылауларды түсіндірмеді). Басқа элементтер үшін есептеу нәтижелері шындыққа сәйкес келмеді. Сонымен, физиктерде атомның теориялық моделі әлі болған жоқ.

Жұмбақтар он бір жылдан кейін ашыла бастады. Француз физигі Людвик де Бройльдің докторлық диссертациясында материал бөлшектерінің толқындық қасиеттері қарастырылды. Жарық толқынның типтік сипаттамаларынан (дифракция, сыну) басқа, бөлшектердің - фотондардың жиынтығы сияқты әрекет ететіні қазірдің өзінде дәлелденген (мысалы, электрондармен серпімді соқтығыстар). Бірақ жаппай нысандар? Бұл ұсыныс физик болғысы келетін ханзада үшін арман сияқты көрінді. Алайда, 1927 жылы де Бройль гипотезасын растайтын эксперимент жүргізілді - электрон сәулесі металл кристалында дифракцияланған (5).

Атомдар қайдан пайда болды?

Басқалар сияқты: Big Bang. Физиктер «нөлдік нүктеден» секундтың бір бөлігінде протондар, нейтрондар және электрондар, яғни құрамдас атомдар пайда болды деп санайды. Бірнеше минуттан кейін (әлем салқындаған кезде және заттың тығыздығы азайған кезде) нуклондар бір-бірімен қосылып, сутегіден басқа элементтердің ядроларын құрады. Гелийдің ең көп мөлшері, сондай-ақ келесі үш элементтің іздері пайда болды. Тек 100-ден кейін ХNUMX Көптеген жылдар бойы шарттар электрондардың ядролармен байланысуына мүмкіндік берді - алғашқы атомдар пайда болды. Келесісін көп күтуге тура келді. Тығыздықтың кездейсоқ ауытқуы тығыздықтардың пайда болуына себеп болды, олар пайда болған кезде заттарды көбірек тартады. Көп ұзамай ғаламның қараңғылығында алғашқы жұлдыздар жанды.

Бір миллиард жылдан кейін олардың кейбіреулері өле бастады. Олардың барысында олар өндірді атомдардың ядролары темірге дейін. Енді олар өлгенде, оларды бүкіл аймаққа таратып, күлден жаңа жұлдыздар туды. Олардың ең массасы керемет аяқталды. Супернованың жарылыстары кезінде ядролардың көптеген бөлшектермен бомбаланғаны сонша, тіпті ең ауыр элементтер де пайда болды. Олар жаңа жұлдыздарды, планеталарды, ал кейбір глобустарда өмірді қалыптастырды.

Материялық толқындардың бар екендігі дәлелденді. Екінші жағынан, атомдағы электрон тұрақты толқын ретінде қарастырылды, соның арқасында ол энергияны шығармайды. Электрондық микроскоптарды жасау үшін қозғалатын электрондардың толқындық қасиеттері қолданылды, бұл атомдарды алғаш рет көруге мүмкіндік берді (6). Одан кейінгі жылдары Вернер Гейзенберг пен Эрвин Шредингердің жұмысы (де Бройль гипотезасы негізінде) толығымен тәжірибеге негізделген атомның электронды қабаттарының жаңа моделін жасауға мүмкіндік берді. Бірақ бұл мақаланың шеңберінен тыс сұрақтар.

Алхимиктердің арманы орындалды

Жаңа элементтер түзілетін табиғи радиоактивті түрленулер 1919 ғасырдың соңынан белгілі болды. ХNUMX жылы осы уақытқа дейін тек табиғаттың қолынан келетін нәрсе. Эрнест Резерфорд осы кезеңде бөлшектердің затпен әрекеттесуімен айналысты. Сынақтар кезінде ол протондардың азот газымен сәулелену нәтижесінде пайда болғанын байқады.

Бұл құбылыстың жалғыз түсіндірмесі гелий ядролары (бөлшегі және осы элементтің изотопының ядросы) мен азот (7) арасындағы реакция болды. Нәтижесінде оттегі мен сутегі түзіледі (протон - ең жеңіл изотоптың ядросы). Алхимиктердің трансмутация туралы арманы орындалды. Келесі онжылдықтарда табиғатта кездеспейтін элементтер өндірілді.

Бұл мақсатқа a-бөлшектерді шығаратын табиғи радиоактивті препараттар енді жарамсыз болды (ауыр ядролардың кулондық тосқауылдары жеңіл бөлшектердің оларға жақындауы үшін тым үлкен). Ауыр изотоптардың ядроларына орасан зор энергия беретін үдеткіштер бүгінгі химиктердің ата-бабалары «металдар патшасын» алуға тырысқан «алхимиялық пештер» болып шықты (8).

Шындығында, алтын ше? Алхимиктер оны өндіру үшін шикізат ретінде сынапты жиі пайдаланды. Бұл жағдайда олардың нағыз «мұрыны» болғанын мойындау керек. Жасанды алтын алғаш рет ядролық реакторда нейтрондармен өңделген сынаптан алынды. Металл бөлігі 1955 жылы Женева атом конференциясында көрсетілді.

6-сурет. Сканирлеуші ​​туннельдік микроскоптағы суретте көрінетін алтын бетіндегі атомдар.

7. Элементтердің адамның бірінші трансмутациясының схемасы

Физиктердің жетістігі туралы жаңалық тіпті әлемдік қор биржаларында аздаған дүрбелең тудырды, бірақ сенсациялық баспасөз хабарламалары осылайша өндірілген кеннің бағасы туралы ақпаратпен жоққа шығарылды - бұл табиғи алтыннан бірнеше есе қымбат. Реакторлар асыл металл кенін алмастырмайды. Бірақ оларда өндірілген изотоптар мен жасанды элементтер (медицина, энергетика, ғылыми зерттеулер мақсатында) алтыннан әлдеқайда құнды.

8. Периодтық жүйедегі ураннан кейінгі алғашқы бірнеше элементтерді синтездейтін тарихи циклотрон (Лоуренс радиациялық зертханасы, Калифорния университеті, Беркли, 1939 ж. тамыз)

Мәтінде көтерілген мәселелерді зерттегісі келетін оқырмандар үшін Томаш Совински мырзаның мақалалар топтамасын ұсынамын. 2006-2010 жылдары «Жас техникада» пайда болды («Олар қалай ашты» айдарымен). Мәтіндер автордың веб-сайтында да бар: .

Цикл »Ғасырлар бойы атоммен» Ол өткен ғасырды жиі атом ғасыры деп атайтынын еске салудан бастады. Әрине, ХNUMX ғасырдағы физиктер мен химиктердің материя құрылымындағы іргелі жетістіктерін атап өтуге болмайды. Дегенмен, соңғы жылдары микроәлем туралы білім тез және жылдам кеңейіп келеді, жеке атомдар мен молекулаларды басқаруға мүмкіндік беретін технологиялар жасалуда. Бұл атомның нақты жасы әлі келген жоқ деп айтуға құқық береді.