Egy atommal a korokon át – 3. rész

Rutherford bolygómodellje az atomról közelebb állt a valósághoz, mint Thomson „mazsolapudingja”. Ennek a koncepciónak az élettartama azonban csak két évig tartott, de mielőtt az utódról beszélnénk, ideje megfejteni a következő atomtitkokat.

1. Hidrogénizotópok: stabil prot és deutérium és radioaktív trícium (fotó: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

atomlavina

A radioaktivitás jelenségének felfedezése, amely az atom rejtélyeinek megfejtésének kezdetét jelentette, kezdetben a kémia alapját - a periodicitás törvényét - fenyegette. Rövid időn belül több tucat radioaktív anyagot azonosítottak. Némelyikük azonos kémiai tulajdonságokkal rendelkezett az eltérő atomtömeg ellenére, míg mások, azonos tömegűek, eltérő tulajdonságokkal rendelkeztek. Sőt, a periódusos rendszer azon területén, ahová súlyuk miatt el kellett volna helyezni őket, nem volt elég szabad hely mindannyiuknak. A periódusos rendszer a felfedezések lavina miatt elveszett.

2. J.J. Thompson 1911-es tömegspektrométerének másolata (fotó: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

atommag

Ez 10-100 ezer. szor kisebb, mint az egész atom. Ha egy hidrogénatom atommagját egy 1 cm átmérőjű labda méretűre nagyítanák és egy futballpálya közepére helyeznék, akkor egy (egy gombostűfejnél kisebb) elektron lenne a kapu közelében. (50 m felett).

Az atom szinte teljes tömege az atommagban koncentrálódik, például az arany esetében ez csaknem 99,98%. Képzelj el egy 19,3 tonnás kockát ebből a fémből. Minden atommagok arany össztérfogata kisebb, mint 1/1000 mm3 (egy 0,1 mm-nél kisebb átmérőjű golyó). Ezért az atom rettenetesen üres. Az olvasóknak kell kiszámítaniuk az alapanyag sűrűségét.

A megoldást erre a problémára Frederick Soddy találta meg 1910-ben. Bevezette az izotóp fogalmát, i.e. ugyanazon elem fajtái, amelyek atomtömegükben különböznek egymástól (1). Így megkérdőjelezte Dalton egy másik posztulátumát – ettől a pillanattól kezdve egy kémiai elem nem állhat többé azonos tömegű atomokból. Az izotóphipotézis kísérleti megerősítést követően (tömegspektrográf, 1911) lehetővé tette egyes elemek atomtömegének törtértékének magyarázatát is - ezek többsége sok izotóp keveréke, ill. atomtömeg mindegyik tömegének súlyozott átlaga (2).

Kernel komponensek

Rutherford másik tanítványa, Henry Moseley 1913-ban az ismert elemek által kibocsátott röntgensugarakat tanulmányozta. A komplex optikai spektrumokkal ellentétben a röntgenspektrum nagyon egyszerű - minden elem csak két hullámhosszt bocsát ki, amelyek hullámhossza könnyen korrelálható az atommag töltésével.

3. A Moseley által használt röntgengépek egyike (fotó: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Ez tette lehetővé első alkalommal a létező elemek valós számának bemutatását, valamint annak megállapítását, hogy ezek közül hány még mindig nem elegendő a periódusos rendszer hiányosságainak pótlására (3).

A pozitív töltést hordozó részecskét protonnak nevezzük (görögül proton = első). Azonnal újabb probléma jelentkezett. A proton tömege körülbelül 1 egység. mivel atommag a 11 egység töltésű nátrium tömege 23 egység? Természetesen ugyanez a helyzet más elemekkel is. Ez azt jelenti, hogy más részecskéknek is jelen kell lenniük az atommagban, és nincs töltésük. Kezdetben a fizikusok azt feltételezték, hogy ezek az elektronokhoz erősen kötött protonok, de végül bebizonyosodott, hogy egy új részecske jelent meg - a neutron (latinul semleges = semleges). Ezt az elemi részecskét (az ún. alapvető "téglákat", amelyek minden anyagot alkotnak) James Chadwick angol fizikus fedezte fel 1932-ben.

A protonok és a neutronok egymásba fordulhatnak. A fizikusok azt feltételezik, hogy ezek egy nukleonnak nevezett részecske formái (latin nucleus = mag).

Mivel a legegyszerűbb hidrogénizotóp magja egy proton, látható, hogy William Prout a "hidrogén" hipotézisében atomépítés nem tévedett sokat (lásd: „Az atommal korokon át – 2. rész”; „Fiatal technikus” 8/2015. sz.). Kezdetben még a proton és a "proton" elnevezések között is voltak ingadozások.

4. Fotocellák a célban - munkájuk alapja a fotoelektromos hatás (fotó: Ies / Wikimedia Commons)

Nem minden megengedett

Rutherford modelljének megjelenése idején „veleszületett hiba” volt. Maxwell elektrodinamikai törvényei szerint (amelyet az akkor már működő rádióadás is megerősít) a körben mozgó elektronnak elektromágneses hullámot kell kisugároznia.

Így energiát veszít, aminek következtében a magra esik. Normál körülmények között az atomok nem sugároznak ki (magas hőmérsékletre hevítve spektrumok keletkeznek), és atomi katasztrófák sem figyelhetők meg (az elektron becsült élettartama kevesebb, mint a másodperc milliomod része).

Rutherford modellje megmagyarázta a részecskeszórási kísérlet eredményét, de mégsem felelt meg a valóságnak.

1913-ban az emberek "megszokták" azt a tényt, hogy a mikrokozmoszban lévő energiát nem tetszőleges mennyiségben veszik és küldik el, hanem részletekben, kvantumokban. Max Planck ennek alapján fejtette ki a felhevült testek által kibocsátott sugárzás spektrumának természetét (1900), Albert Einstein (1905) pedig a fotoelektromos hatás, vagyis a megvilágított fémek elektronkibocsátásának titkait (4).

5. Az elektronok diffrakciós képe tantál-oxid kristályon a szimmetrikus szerkezetét mutatja (fotó: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

A 28 éves dán fizikus, Niels Bohr javította Rutherford atommodelljét. Azt javasolta, hogy az elektronok csak bizonyos energiafeltételeknek megfelelő pályákon mozogjanak. Ezenkívül az elektronok mozgásuk során nem bocsátanak ki sugárzást, és az energia csak akkor nyelődik el és bocsát ki, ha pályák között söntöl. A feltételezések ellentmondtak a klasszikus fizikának, de az ezek alapján kapott eredmények (a hidrogénatom mérete és spektruma vonalainak hossza) a kísérlettel összhangban állónak bizonyultak. újszülött modell atomu.

Sajnos az eredmények csak a hidrogénatomra voltak érvényesek (de nem magyaráztak meg minden spektrális megfigyelést). Más elemeknél a számítási eredmények nem feleltek meg a valóságnak. Így a fizikusoknak még nem volt elméleti modelljük az atomról.

Tizenegy év után kezdtek tisztázódni a rejtélyek. Ludwik de Broglie francia fizikus doktori disszertációja az anyagrészecskék hullámtulajdonságaival foglalkozott. Már bebizonyosodott, hogy a fény a hullám jellemző tulajdonságain (diffrakció, fénytörés) kívül részecskék - fotonok - gyűjteményként is viselkedik (például rugalmas ütközések elektronokkal). De tömegtárgyak? A javaslat pipa álomnak tűnt egy herceg számára, aki fizikus akar lenni. 1927-ben azonban végeztek egy kísérletet, amely megerősítette de Broglie hipotézisét – az elektronsugár diffrakciót mutatott egy fémkristályon (5).

Honnan jöttek az atomok?

Mint mindenki más: Ősrobbanás. A fizikusok úgy vélik, hogy a "nullapontból" szó szerint a másodperc törtrésze alatt protonok, neutronok és elektronok, vagyis az alkotó atomok keletkeztek. Néhány perccel később (amikor az univerzum lehűlt és az anyag sűrűsége csökkent) a nukleonok egyesültek, és a hidrogéntől eltérő elemek magjait alkották. A legnagyobb mennyiségben hélium keletkezett, valamint a következő három elem nyomai. Csak 100 XNUMX után Sok éven át a körülmények lehetővé tették az elektronok kötődését az atommagokhoz - az első atomok kialakultak. Sokat kellett várnom a következőre. A véletlenszerű sűrűségingadozások sűrűségek kialakulását idézték elő, amelyek, ahogy megjelentek, egyre több anyagot vonzottak magukhoz. Hamarosan az univerzum sötétjében fellángoltak az első csillagok.

Körülbelül egymilliárd év elteltével néhányan elkezdtek meghalni. Tanfolyamukon produkáltak atommagok le a vasra. Most, amikor meghaltak, szétterítették őket az egész régióban, és új csillagok születtek a hamuból. A legmasszívabb közülük látványos véget ért. A szupernóva-robbanások során az atommagokat annyi részecske bombázta, hogy a legnehezebb elemek is keletkeztek. Új csillagokat, bolygókat és néhány földgömbön életet hoztak létre.

Az anyaghullámok létezése bebizonyosodott. Másrészt az atomban lévő elektront állóhullámnak tekintették, ami miatt nem sugároz energiát. A mozgó elektronok hullámtulajdonságait használták fel elektronmikroszkópok létrehozására, amelyek először tették lehetővé az atomok megtekintését (6). A következő években Werner Heisenberg és Erwin Schrödinger munkája (a de Broglie hipotézis alapján) lehetővé tette az atom elektronhéjainak új, teljesen tapasztalatokon alapuló modelljének kidolgozását. De ezek a kérdések túlmutatnak a cikk keretein.

Az alkimisták álma valóra vált

A természetes radioaktív átalakulások, amelyek során új elemek képződnek, az 1919. század vége óta ismertek. Az XNUMX-ben valami, amire eddig csak a természet volt képes. Ernest Rutherford ebben az időszakban a részecskék és az anyag kölcsönhatásával foglalkozott. A tesztek során észrevette, hogy a protonok nitrogéngázzal történő besugárzás eredményeként jelentek meg.

A jelenség egyetlen magyarázata a héliummagok (egy részecske és ennek az elemnek az izotópjának magja) és a nitrogén közötti reakció volt (7). Ennek eredményeként oxigén és hidrogén képződik (a proton a legkönnyebb izotóp magja). Az alkimisták transzmutációról szóló álma valóra vált. A következő évtizedekben olyan elemeket állítottak elő, amelyek a természetben nem találhatók meg.

Az a-részecskéket kibocsátó természetes radioaktív készítmények erre a célra már nem voltak alkalmasak (a nehéz atommagok Coulomb-gátja túl nagy ahhoz, hogy egy könnyű részecske megközelítse őket). A nehéz izotópok magjainak hatalmas energiát közvetítő gyorsítók „alkémiai kemencéknek” bizonyultak, amelyekben a mai vegyészek ősei megpróbálták megszerezni a „fémek királyát” (8).

Tulajdonképpen mi a helyzet az arannyal? Az alkimisták leggyakrabban higanyt használtak nyersanyagként az előállításához. El kell ismerni, hogy ebben az esetben igazi „orruk” volt. Az atomreaktorban neutronokkal kezelt higanyból nyerték először a mesterséges aranyat. A fémdarabot 1955-ben mutatták be a Genfi Atomkonferencián.

6. ábra: Atomok az arany felszínén, a pásztázó alagútmikroszkópban látható képen.

7. Az elemek első emberi transzmutációjának vázlata

A fizikusok teljesítményének híre még a világ tőzsdéin is rövid feltűnést keltett, de a szenzációs sajtóértesüléseket cáfolták az így bányászott érc - sokszorosan drágább a természetes aranynál - áráról szóló információk. A reaktorok nem fogják felváltani a nemesfémbányát. De a bennük előállított izotópok és mesterséges elemek (gyógyászati, energetikai, tudományos kutatási célokra) sokkal értékesebbek, mint az arany.

8. Történelmi ciklotron, amely az urán után az első néhány elemet szintetizálja a periódusos rendszerben (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, 1939. augusztus)

Azoknak az olvasóknak, akik szeretnének feltárni a szövegben felvetett kérdéseket, Tomasz Sowiński úr cikksorozatát ajánlom. 2006-2010-ben jelent meg a "Young Technics"-ben ("Hogyan fedezték fel" címszó alatt). A szövegek a szerző honlapján is elérhetők: .

Kerékpár "Egy atommal korok óta» Egy emlékeztetővel kezdte, hogy az elmúlt évszázadot gyakran az atom korának nevezték. Természetesen nem szabad figyelmen kívül hagyni a XNUMX. század fizikusainak és kémikusainak alapvető eredményeit az anyag szerkezetében. Az utóbbi években azonban egyre gyorsabban bővülnek a mikrokozmoszról szóló ismeretek, olyan technológiákat fejlesztenek ki, amelyek lehetővé teszik az egyes atomok és molekulák manipulálását. Ez jogot ad arra, hogy azt mondjuk, hogy az atom valódi kora még nem érkezett el.