З атомом крізь століття – частина 3

Планетарна модель атома Резерфорда була ближчою до реальності, ніж «пудинг із родзинками» Томсона. Однак життя цього концепту тривало лише два роки, але перш ніж говорити про наступника — настав час розгадувати чергові атомні секрети.

1. Ізотопи водню: стабільний прот і дейтерій та радіоактивний тритій (фото: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

Атомна лавина

Відкриття явища радіоактивності, що започаткувало розгадку таємниць атома, спочатку поставило під загрозу основу хімії - закон періодичності. За короткий час було ідентифіковано кількадесят радіоактивних речовин. Одні з них мали однакові хімічні властивості, незважаючи на різну атомну масу, а інші, при однакових масах, мали різні властивості. Більше того, в тій області таблиці Менделєєва, де вони повинні були бути розміщені через їхню вагу, не вистачило вільного місця, щоб розмістити їх усіх. Періодична таблиця була втрачена через лавину відкриттів.

2. Репліка мас-спектрометра Дж. Дж. Томпсона 1911 (фото: Джефф Даль / Wikimedia Commons)

Атомне ядро

Це 10-100 тисяч. разів менше, ніж увесь атом. Якби ядро ​​атома водню збільшити до розмірів м'яча діаметром 1 см і помістити в центр футбольного поля, то електрон (менше шпилькової голівки) виявився б на околиці гол (понад 50 м).

Майже вся маса атома зосереджена в ядрі, наприклад, для золота вона становить майже 99,98%. Уявіть собі куб із цього металу вагою 19,3 тонни. Усе ядра атомів золото мають загальний обсяг менше 1/1000 мм3 (куля діаметром менше 0,1 мм). Отже, атом страшенно порожній. Читачі повинні розрахувати густину основної речовини.

Вирішення цієї проблеми було знайдено у 1910 році Фредеріком Содді. Він запровадив поняття ізотопів, тобто. різновидів одного і того ж елемента, що відрізняються своєю атомною масою (1). Таким чином він поставив під сумнів ще один постулат Дальтона — з цього моменту хімічний елемент більше не повинен складатися з атомів однакової маси. Ізотопна гіпотеза після експериментального підтвердження (мас-спектрограф, 1911 р.) також дозволила пояснити дробові значення атомних мас деяких елементів – більшість з них є сумішшю багатьох ізотопів, причому атомна маса є середньозваженим значенням мас усіх (2).

Компоненти ядра

Інший учень Резерфорда, Генрі Мозлі, в 1913 вивчав рентгенівські промені, що випускаються відомими елементами. На відміну від складних оптичних спектрів, рентгенівський спектр дуже простий – кожен елемент випромінює лише дві хвилі, довжини яких легко співвідносяться із зарядом його атомного ядра.

3. Один із рентгенівських апаратів, якими користувався Мозлі (фото: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Це дозволило вперше уявити реальну кількість існуючих елементів, і навіть визначити, скільки їх ще вистачає заповнення прогалин у таблиці Менделєєва (3).

Частка-носій позитивного заряду називається протоном (грец. Протон = перший). Одразу виникла інша проблема. Маса протона приблизно дорівнює 1 од. Тоді як атомне ядро натрій при заряді 11 одиниць має масу 23 од.? Те саме, звісно, ​​й у випадку з іншими елементами. Значить, мають бути й інші частинки, які є в ядрі і не мають заряду. Спочатку фізики припускали, що це міцно пов'язані протони з електронами, але у результаті було доведено, що виникла нова частка – нейтрон (лат. neuter = нейтральний). Відкриття цієї елементарної частинки (так називаються основні цеглинки, з яких складається вся матерія) було зроблено в 1932 році англійським фізиком Джеймсом Чедвіком.

Протони та нейтрони можуть перетворюватися один на одного. Фізики припускають, що вони є формами частинки, яка називається нуклоном (латинське ядро ​​= ядро).

Оскільки ядром найпростішого ізотопу водню є протон, видно, що Вільям Праут у своїй «водневій» гіпотезі конструкція атома він не надто помилявся (див.: “З атомом крізь століття – частина 2”; “Юний технік” №8/2015). Спочатку були навіть коливання між назвами протон та «проутон».

4. Фотоелементи на фініші – в основі їх роботи лежить фотоефект (фото: Ies/Wikimedia Commons)

Не все дозволено

Модель Резерфорда на момент появи мала «вроджений дефект». Відповідно до законів електродинаміки Максвелла (підтвердженим вже функціонувало на той час радіомовленням), електрон, що рухається по колу, повинен випромінювати електромагнітну хвилю.

Таким чином, він втрачає енергію, внаслідок чого падає на ядро. В нормальних умовах атоми не випромінюють (спектри формуються при нагріванні до високих температур) і не спостерігаються атомні катастрофи (розрахунковий час життя електрона менше однієї мільйонної секунди).

Модель Резерфорда пояснювала результат експерименту з розсіювання частинок, але все ж таки не відповідала дійсності.

У 1913 році люди «звикли» до того, що енергія в мікросвіті береться і надсилається не в будь-якій кількості, а порціями, які називаються квантами. На цій основі Макс Планк пояснив природу спектрів випромінювання, що випускається нагрітими тілами (1900), а Альберт Ейнштейн (1905) - таємниці фотоефекту, тобто випромінювання електронів освітленими металами (4).

5. Дифракційне зображення електронів на кристалі оксиду танталу показує його симетричну структуру (фото: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-річний датський фізик Нільс Бор удосконалив модель атома Резерфорда. Він припустив, що електрони рухаються лише по орбітах, що відповідають певним енергетичним умовам. Крім того, електрони не випромінюють випромінювання під час руху, а енергія поглинається і випромінюється лише при шунтуванні між орбітами. Припущення суперечили класичній фізиці, але отримані з їхньої основі результати (розмір атома водню і довжина ліній його спектра) виявилися які узгоджуються з експериментом. Народився новий модель атому.

На жаль, результати були справедливі лише для атома водню (але не пояснювали всі спектральні спостереження). По решті елементів результати розрахунків не відповідали дійсності. Таким чином, фізики ще не мали теоретичної моделі атома.

Таємниці почали прояснюватися через одинадцять років. Докторська дисертація французького фізика Людвіка де Бройля стосувалася хвильових властивостей матеріальних частинок. Вже доведено, що світло, окрім типових характеристик хвилі (дифракція, заломлення), поводиться також як сукупність частинок – фотонів (наприклад, пружні зіткнення з електронами). Але чи масові об'єкти? Припущення здавалося нездійсненною мрією принца, який хотів стати фізиком. Однак у 1927 р. було проведено експеримент, який підтвердив гіпотезу де Бройля – потік електронів дифрагував на металевому кристалі (5).

Звідки взялися атоми?

Як і всі: Великий вибух. Фізики вважають, що буквально за частки секунди від «нульової точки» утворилися протони, нейтрони та електрони, тобто атоми, що складають. Через кілька хвилин (коли Всесвіт остигнув і щільність матерії зменшилася), нуклони злилися разом, утворивши ядра елементів, відмінних від водню. Утворилося найбільше гелію, а також сліди наступних трьох елементів. Лише після 100 XNUMX Протягом багатьох років умови дозволяли зв'язувати електрони з ядрами – були сформовані перші атоми. Довелося довго чекати на наступних. Випадкові флуктуації щільності викликали утворення щільностей, які, з'являючись, притягували дедалі більше матерії. Незабаром у темряві Всесвіту спалахнули перші зірки.

Приблизно за мільярд років деякі з них почали вмирати. У своєму ході вони зробили ядра атомів до заліза. Тепер, коли вони вмирали, вони розповсюджували їх по всьому регіону, і з попелу народжувалися нові зірки. Найпотужніші з них мали ефектний кінець. Під час вибухів наднових ядра бомбардувались такою кількістю часток, що утворювалися навіть найважчі елементи. З них утворилися нові зірки, планети, але в деяких глобусах – життя.

Доведено існування хвиль матерії. З іншого боку, електрон в атомі розглядався як стояча хвиля, завдяки якій не випромінює енергію. Хвильові властивості електронів, що рухаються, були використані для створення електронних мікроскопів, що дозволило вперше побачити атоми (6). У наступні роки роботи Вернера Гейзенберга та Ервіна Шредінгера (на основі гіпотези де Бройля) дозволили розробити нову, повністю засновану на досвіді модель електронних оболонок атома. Але це питання, що виходять за межі статті.

Мрія алхіміків здійснилася

Природні радіоактивні перетворення, у яких утворюються нові елементи, відомі з кінця 1919 століття. У XNUMX році те, на що досі була здатна лише природа. Ернест Резерфорд у цей період займався взаємодією частинок із речовиною. Під час випробувань він зауважив, що протони з'являлися внаслідок опромінення газоподібним азотом.

Єдиним поясненням явища була реакція між ядрами гелію (частка та ядро ​​ізотопу цього елемента) та азотом (7). В результаті утворюються кисень і водень (протон - ядро ​​найлегшого ізотопу). Мрія алхіміків про трансмутацію здійснилася. У наступні десятиліття було створено елементи, які зустрічаються у природі.

Природні радіоактивні препарати, що випускають а-частинки, вже не придатні для цієї мети (кулонівський бар'єр важких ядер дуже великий, щоб до них могла наблизитися легка частка). Прискорювачі, що повідомляють ядрам важких ізотопів величезну енергію, виявилися «алхімічними печами», у яких батьки нинішніх хіміків намагалися отримати «царя металів» (8).

Власне, а як золото? Як сировину для його виробництва алхіміки найчастіше використовували ртуть. Треба визнати, що в даному випадку у них був справжнісінький «ніс». Саме з ртуті, обробленої нейтронами в ядерному реакторі, було вперше отримано штучне золото. Металевий шматок був показаний 1955 року на Женевській атомній конференції.

6. Атоми на поверхні золота, видимі на зображенні в тунельному мікроскопі, що сканує.

7. Схема першої людської трансмутації елементів

Звістка про досягнення фізиків навіть викликала недовгий ажіотаж на світових біржах, але сенсаційні повідомлення преси були спростовані інформацією про ціну видобутої таким чином руди – вона в багато разів дорожча за природне золото. Реактори не замінять шахту дорогоцінного металу Але вироблені в них ізотопи та штучні елементи (для цілей медицини, енергетики, наукових досліджень) набагато цінніші за золото.

8. Історичний циклотрон, який синтезує перші кілька елементів після урану в періодичній таблиці (Радіаційна лабораторія Лоуренса Каліфорнійського університету, Берклі, серпень 1939 р.)

Читачам, які хотіли б вивчити питання, які торкнулися тексту, я рекомендую серію статей пана Томаша Совіньського. З'являлася у “Юному Техніку” у 2006-2010 роках (у рубриці “Як відкрили”). Тексти також доступні на сайті автора на адресу: .

Цикл “З атомом на віки» Почав з нагадування у тому, що минуле століття часто називали століттям атома. Звичайно, не можна не відзначити фундаментальні досягнення фізиків та хіміків XNUMX століття у будові матерії. Проте останніми роками знання про мікросвіт розширюються дедалі швидше, розробляються технології, дозволяють маніпулювати окремими атомами і молекулами. Це дає нам право сказати, що справжнє століття атома ще не настало.