Кылымдар бою атом менен - ​​3-бөлүк

Резерфорддун атомдун планетардык модели Томсондун «мейиз пудингине» караганда чындыкка жакыныраак болгон. Бирок, бул концепциянын өмүрү эки гана жылга созулган, бирок мураскер жөнүндө сөз кылуудан мурун, кийинки атомдук сырларды ачууга убакыт келди.

1. Суутек изотоптору: туруктуу прот жана дейтерий жана радиоактивдүү тритий (сүрөт: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

ядролук көчкү

Атомдун сырларын ачуунун башталышы болгон радиоактивдүүлүк кубулушунун ачылышы адегенде химиянын негизине – мезгилдүүлүк мыйзамына коркунуч туудурган. Кыска убакыттын ичинде бир нече ондогон радиоактивдүү заттар аныкталган. Алардын кээ бирлери атомдук массасы ар башка болгонуна карабастан, бирдей химиялык касиеттерге ээ болсо, башкалары бирдей массаларга ээ болгон. Мындан тышкары, мезгилдик таблицада алардын салмагына байланыштуу жайгаштырылышы керек болгон жерде алардын бардыгын жайгаштыруу үчүн бош орун жетишсиз болгон. Мезгилдик таблица ачылыштардын көчкүсүнөн улам жоголгон.

2. Дж.Ж.Томпсондун 1911-жылдагы масс-спектрометринин көчүрмөсү (сүрөт: Джефф Дал/Wikimedia Commons)

атомдук ядро

Бул 10-100 миң. бүт атомдон эсе кичине. Эгерде суутек атомунун ядросун диаметри 1 см болгон шардын өлчөмүнө чейин чоңойтуп, футбол талаасынын ортосуна жайгаштырса, анда электрон (төөнөгүчтүн башынан кичине) голдун жанында болмок. (50 мден жогору).

Атомдун дээрлик бүт массасы ядродо топтолгон, мисалы, алтын үчүн ал дээрлик 99,98% түзөт. Салмагы 19,3 тонна болгон бул металлдын кубун элестетиңиз. Баары атомдордун ядролору алтындын жалпы көлөмү 1/1000 мм3 (диаметри 0,1 мм кем шар) бар. Демек, атом абдан бош. Окурмандар негизги материалдын тыгыздыгын эсептеп чыгышы керек.

Бул маселенин чечүү жолун 1910-жылы Фредерик Содди тапкан. Ал изотоптор түшүнүгүн киргизген, б.а. атомдук массасы боюнча айырмаланган бир эле элементтин сорттору (1). Ошентип, ал Далтондун дагы бир постулатын шек туудурган – ошол учурдан баштап химиялык элемент бир эле массадагы атомдордон турбашы керек. Изотоп гипотезасы, эксперименталдык ырастоодон кийин (масс-спектрограф, 1911), ошондой эле кээ бир элементтердин атомдук массаларынын бөлчөк маанилерин түшүндүрүүгө мүмкүндүк берди - алардын көбү көптөгөн изотоптордун аралашмасы жана атомдук масса алардын бардыгынын массаларынын орточо салмактанып алынган көрсөткүчү (2).

Ядро компоненттери

Резерфорддун дагы бир шакирти Генри Мозли 1913-жылы белгилүү элементтер чыгарган рентген нурларын изилдеген. Татаал оптикалык спектрлерден айырмаланып, рентген нурларынын спектри өтө жөнөкөй – ар бир элемент эки гана толкун узундуктарын чыгарат, алардын толкун узундуктары анын атом ядросунун заряды менен оңой корреляцияланат.

3. Мозли колдонгон рентген аппараттарынын бири (сүрөт: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Бул биринчи жолу болгон элементтердин реалдуу санын көрсөтүүгө, ошондой эле алардын канчасы дагы эле мезгилдик таблицадагы боштуктарды толтурууга жетишсиз экендигин аныктоого мүмкүндүк берди (3).

Оң заряд алып жүргөн бөлүкчө протон деп аталат (грекче протон = биринчи). Дагы бир көйгөй дароо пайда болду. Протондун массасы болжол менен 1 бирдикке барабар. Анда кандай атомдук ядро 11 бирдик заряды бар натрийдин массасы 23 бирдик? Албетте, башка элементтерде да ушундай. Бул ядродо заряды жок башка бөлүкчөлөр болушу керек дегенди билдирет. Адегенде физиктер булар электрондор менен бекем байланышкан протондор деп ойлошкон, бирок акырында жаңы бөлүкчө - нейтрон (латынча нейтр = нейтралдуу) пайда болгону далилденген. Бул элементардык бөлүкчөнүн ачылышын (бардык материяны түзгөн негизги "кирпич" деп аталат) 1932-жылы англиялык физик Джеймс Чедвик жасаган.

Протондор менен нейтрондор бири-бирине айланышы мүмкүн. Физиктер алар нуклон (латынча ядро ​​= ядро) деп аталган бөлүкчөнүн формалары деп божомолдошот.

Суутектин эң жөнөкөй изотопунун ядросу протон болгондуктан, Уильям Проут өзүнүн «суутек» гипотезасында атом курулушу ал өтө жаңылган эмес (караңыз: “Атом менен кылымдар бою – 2-бөлүк”; “Жаш техник” №8/2015). Адегенде протон менен "протон" деген аттардын ортосунда да термелүүлөр болгон.

4. Фиништеги фотоэлементтер – алардын ишинин негизин фотоэффект түзөт (сүрөт: Ies / Wikimedia Commons)

Баарына жол берилбейт

Рутерфорддун модели пайда болгон учурда "тубаса кемтик" болгон. Максвеллдин электродинамика мыйзамдарына ылайык (ошол убакта иштеген радиоберүү аркылуу тастыкталган) айланада кыймылдаган электрон электромагниттик толкунду чыгарышы керек.

Ошентип, ал энергияны жоготот, натыйжада ядрого түшөт. Кадимки шарттарда атомдор нурланбайт (жогорку температурага чейин ысытылганда спектрлер пайда болот) жана атомдук катастрофалар байкалбайт (электрондун болжолдуу өмүрү секунданын миллиондон бир бөлүгүнөн аз).

Резерфорддун модели бөлүкчөлөрдүн чачыратуу экспериментинин жыйынтыгын түшүндүргөн, бирок дагы эле чындыкка дал келген эмес.

1913-жылы адамдар микрокосмостогу энергия кандайдыр бир көлөмдө эмес, кванттар деп аталган бөлүкчөлөр менен алынып, жиберилерине "көнүп калышты". Ушунун негизинде Макс Планк ысытылган телолордон чыккан нурлануу спектрлеринин табиятын (1900), Альберт Эйнштейн (1905) фотоэффекттин сырларын, б.а. жарыктанган металлдардын электрондорду чыгаруусун түшүндүргөн (4).

5. Тантал оксидинин кристаллындагы электрондордун дифракциялык сүрөтү анын симметриялык түзүлүшүн көрсөтөт (сүрөт: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 жаштагы даниялык физик Нильс Бор атомдун Резерфорддун моделин өркүндөттү. Ал электрондордун белгилүү бир энергетикалык шарттарга жооп берген орбиталарда гана кыймылын сунуш кылган. Кошумчалай кетсек, электрондор кыймылдаганда радиация чыгарбайт, ал эми энергия орбиталардын ортосунда шунтталганда гана сиңет жана чыгарылат. Божомолдор классикалык физикага карама-каршы келген, бирок алардын негизинде алынган натыйжалар (суутек атомунун өлчөмү жана анын спектринин сызыктарынын узундугу) экспериментке шайкеш болуп чыкты. жаңы төрөлгөн атомдун модели.

Тилекке каршы, натыйжалар суутек атому үчүн гана жарактуу болгон (бирок бардык спектрдик байкоолорду түшүндүргөн эмес). Башка элементтер боюнча эсептөөнүн натыйжалары чындыкка дал келген жок. Ошентип, физиктерде атомдун теориялык модели али болгон эмес.

Сырлар он бир жылдан кийин ачыла баштады. Француз физиги Людвик де Бройльдин докторлук диссертациясында материалдык бөлүкчөлөрдүн толкун касиеттери каралган. Жарыктын толкундун типтүү мүнөздөмөлөрүнөн (дифракция, сынуу) тышкары өзүн бөлүкчөлөрдүн – фотондордун жыйындысы (мисалы, электрондор менен серпилгичтүү кагылышуулар) сыяктуу алып барары буга чейин далилденген. Бирок массалык объектилер? Физик болгусу келген ханзаада үчүн бул божомол кыял сыяктуу көрүндү. Бирок 1927-жылы де Бройль гипотезасын ырастаган эксперимент жүргүзүлдү – электрон нуру металл кристаллында дифракцияланган (5).

Атомдор кайдан пайда болгон?

Башкалар сыяктуу: Биг Бенг. Физиктер "нөл чекитинен" секунданын бир бөлүгүндө түз мааниде протондор, нейтрондор жана электрондор, башкача айтканда, түзүүчү атомдор пайда болгон деп эсептешет. Бир нече мүнөттөн кийин (аалам муздап, заттын тыгыздыгы азайганда) нуклондор биригип, суутектен башка элементтердин ядролорун түзүшкөн. Гелийдин эң чоң көлөмү, ошондой эле төмөнкү үч элементтин издери пайда болгон. 100 XNUMX кийин гана Көп жылдар бою шарттар электрондордун ядролор менен байланышуусуна мүмкүндүк берди - биринчи атомдор пайда болгон. Кийинкисин көпкө күтүүгө туура келди. Тыгыздыктын туш келди термелүүсү тыгыздыктардын пайда болушуна себепчи болуп, алар пайда болгон сайын затты көбүрөөк тартып турган. Көп өтпөй, ааламдын караңгылыгында биринчи жылдыздар жанды.

Болжол менен бир миллиард жыл өткөндөн кийин, алардын кээ бирлери өлө баштаган. Алардын жүрүшүндө алар өндүргөн атомдордун ядролору темирге чейин. Эми алар өлгөндө, аларды бүт аймакка таратып, күлдөн жаңы жылдыздар жаралды. Алардын эң массасы укмуштуудай аяктады. Супернова жарылуулары учурунда ядролор ушунчалык көп бөлүкчөлөр менен бомбалангандыктан, эң оор элементтер да пайда болгон. Алар жаңы жылдыздарды, планеталарды, кээ бир глобустарда – жашоону пайда кылышкан.

Зат толкундарынын бар экендиги далилденген. Башка жагынан алып караганда, атомдогу электрон энергияны чачыратпай турган толкун катары эсептелген. Электрондук микроскопторду түзүүдө кыймылдуу электрондордун толкун касиеттери колдонулган, бул атомдорду биринчи жолу көрүүгө мүмкүндүк берген (6). Кийинки жылдарда Вернер Гейзенберг менен Эрвин Шредингердин эмгектери (де Бройль гипотезасынын негизинде) толугу менен тажрыйбага негизделген атомдун электрондук кабыктарынын жаңы моделин иштеп чыгууга мүмкүндүк берди. Бирок булар макаланын чегинен тышкары суроолор.

Алхимиктердин кыялы орундалды

Жаңы элементтер пайда болгон табигый радиоактивдүү трансформациялар 1919-кылымдын аягынан бери белгилүү. XNUMX-жылы, ушул убакка чейин табият гана жөндөмдүү болгон нерсе. Эрнест Резерфорд бул мезгилде бөлүкчөлөрдүн зат менен өз ара аракеттенүүсү менен алектенген. Сыноолордун жүрүшүндө ал протондор азот газы менен нурлануунун натыйжасында пайда болгонун байкаган.

Бул кубулуштун бирден-бир түшүндүрмөсү гелий ядролору (бул элементтин изотопунун бөлүкчөсү жана ядросу) менен азоттун (7) ортосундагы реакция болгон. Натыйжада кычкылтек жана суутек пайда болот (протон эң жеңил изотоптун ядросу). Алхимиктердин трансмутация жөнүндөгү кыялы орундалды. Кийинки ондогон жылдар ичинде жаратылышта кездешпеген элементтер пайда болду.

а-бөлүкчөлөрдү чыгаруучу табигый радиоактивдүү препараттар бул максатка ылайыктуу болбой калды (оор ядролордун кулондук тосмолору жеңил бөлүкчө аларга жакындаш үчүн өтө чоң). Оор изотоптордун ядролоруна эбегейсиз энергия берген тездеткичтер азыркы химиктердин ата-бабалары «металлдардын падышасын» алууга аракет кылган «алхимиялык мештер» болуп чыкты (8).

Чынында, алтын жөнүндө эмне айтууга болот? Алхимиктер көбүнчө сымапты аны өндүрүү үчүн чийки зат катары колдонушкан. Бул учурда алар чыныгы "мурду" бар экенин моюнга алуу керек. Жасалма алтын биринчи жолу ядролук реактордо нейтрондор менен иштетилген сымаптан алынган. Бул металл 1955-жылы Женевадагы атомдук конференцияда көрсөтүлгөн.

6-сүрөт. Сканирлөөчү туннелдик микроскоптогу сүрөттө көрүнүп турган алтындын бетиндеги атомдор.

7. Элементтердин адамдын биринчи трансмутациясынын схемасы

Физиктердин жетишкендиги жөнүндөгү кабар дүйнөлүк биржаларда кыска ызы-чуу жаратты, бирок басма сөздүн сенсациялуу билдирүүлөрү ушундай жол менен казылып алынган руданын баасы тууралуу маалымат менен жокко чыгарылды - бул табигый алтындан бир нече эсе кымбат. Реакторлор баалуу металл кенин алмаштырбайт. Бирок аларда өндүрүлгөн изотоптор жана жасалма элементтер (медицина, энергетика, илимий изилдөө максаттары үчүн) алтындан алда канча баалуу.

8. Мезгилдик системада урандан кийинки алгачкы бир нече элементтерди синтездөөчү тарыхый циклотрон (Лоуренс радиациялык лабораториясы, Калифорния университети, Беркли, 1939-ж. август)

Текстте көтөрүлгөн маселелерди изилдегиси келген окурмандар үчүн мен Томаш Совински мырзанын бир катар макалаларын сунуштайм. 2006-2010-жылдары "Жаш техникада" ("Кантип ачкан" рубрикасы менен) чыккан. Тексттер автордун сайтында да бар: .

Велосипед"Атом менен түбөлүккө» Ал өткөн кылым көп учурда атомдун доору деп аталганын эске салуу менен баштады. Албетте, XNUMX кылымдагы физиктердин жана химиктердин материянын түзүлүшүндөгү фундаменталдуу жетишкендиктерин белгилебей коюуга болбойт. Бирок, акыркы жылдары микрокосмос жөнүндө билим тез жана ылдам кеңейүүдө, айрым атомдорду жана молекулаларды башкарууга мүмкүндүк берген технологиялар иштелип чыгууда. Бул бизге атомдун чыныгы жашы али келе элек деп айтууга укук берет.