S atómom v priebehu vekov - časť 3

Rutherfordov planetárny model atómu bol bližšie k realite ako Thomsonov „hrozienkový puding“. Životnosť tohto konceptu však trvala len dva roky, no skôr, než sa začne hovoriť o nástupcovi, je čas odhaliť ďalšie atómové tajomstvá.

1. Izotopy vodíka: stabilný prot a deutérium a rádioaktívne trícium (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

jadrová lavína

Objav fenoménu rádioaktivity, ktorý znamenal začiatok odhaľovania tajomstiev atómu, spočiatku ohrozoval základ chémie – zákon periodicity. V krátkom čase sa podarilo identifikovať niekoľko desiatok rádioaktívnych látok. Niektoré z nich mali rovnaké chemické vlastnosti napriek rozdielnej atómovej hmotnosti, zatiaľ čo iné s rovnakými hmotnosťami mali odlišné vlastnosti. Navyše v oblasti periodickej tabuľky, kde mali byť vzhľadom na svoju váhu umiestnené, nebolo dosť voľného miesta na ich umiestnenie. Periodická tabuľka sa stratila v dôsledku lavíny objavov.

2. Replika hmotnostného spektrometra J.J. Thompsona z roku 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

atómové jadro

Ide o 10-100 tisíc. krát menší ako celý atóm. Ak by sa jadro atómu vodíka zväčšilo na veľkosť lopty s priemerom 1 cm a umiestnilo sa do stredu futbalového ihriska, potom by bol elektrón (menší ako špendlíková hlavička) v blízkosti bránky. (nad 50 m).

Takmer celá hmotnosť atómu je sústredená v jadre, napríklad u zlata je to takmer 99,98 %. Predstavte si kocku tohto kovu s hmotnosťou 19,3 tony. Všetko jadrá atómov zlato má celkový objem menší ako 1/1000 mm3 (gulička s priemerom menším ako 0,1 mm). Preto je atóm strašne prázdny. Čitatelia musia vypočítať hustotu základného materiálu.

Riešenie tohto problému našiel v roku 1910 Frederick Soddy. Zaviedol pojem izotopy, t.j. odrody toho istého prvku, ktoré sa líšia svojou atómovou hmotnosťou (1). Spochybnil tak ďalší Daltonov postulát – od tohto momentu by už chemický prvok nemal pozostávať z atómov rovnakej hmotnosti. Izotopová hypotéza po experimentálnom potvrdení (hmotnostný spektrograf, 1911) umožnila vysvetliť aj zlomkové hodnoty atómových hmotností niektorých prvkov - väčšinou ide o zmesi mnohých izotopov a atómová hmotnosť je vážený priemer hmotností všetkých z nich (2).

Komponenty jadra

Ďalší z Rutherfordových študentov, Henry Moseley, študoval v roku 1913 röntgenové žiarenie emitované známymi prvkami. Na rozdiel od zložitých optických spektier je röntgenové spektrum veľmi jednoduché – každý prvok vyžaruje iba dve vlnové dĺžky, ktorých vlnové dĺžky ľahko korelujú s nábojom jeho atómového jadra.

3. Jeden z röntgenových prístrojov, ktoré používa Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

To umožnilo prvýkrát prezentovať skutočný počet existujúcich prvkov, ako aj určiť, koľko z nich ešte nestačí na vyplnenie medzier v periodickej tabuľke (3).

Častica nesúca kladný náboj sa nazýva protón (grécky protón = prvý). Hneď sa objavil ďalší problém. Hmotnosť protónu je približne rovná 1 jednotke. Zatiaľ čo atómové jadro sodík s nábojom 11 jednotiek má hmotnosť 23 jednotiek? Rovnako je to samozrejme aj s ostatnými prvkami. To znamená, že v jadre musia byť prítomné iné častice, ktoré nemajú náboj. Spočiatku fyzici predpokladali, že ide o silne viazané protóny s elektrónmi, no nakoniec sa dokázalo, že sa objavila nová častica – neutrón (lat. neutr = neutrál). Objav tejto elementárnej častice (takzvané základné „tehly“, z ktorých sa skladá všetka hmota) urobil v roku 1932 anglický fyzik James Chadwick.

Protóny a neutróny sa môžu navzájom premieňať. Fyzici predpokladajú, že ide o formy častice nazývanej nukleón (lat. nucleus = jadro).

Keďže jadrom najjednoduchšieho izotopu vodíka je protón, je možné vidieť, že William Prout vo svojej hypotéze o „vodíku“ konštrukcia atómu príliš sa nemýlil (pozri: „S atómom v priebehu vekov – 2. časť“; „Mladý technik“ č. 8/2015). Spočiatku dokonca dochádzalo k výkyvom medzi názvami protón a „protón“.

4. Fotobunky v cieli - základom ich práce je fotoelektrický efekt (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Nie všetko je dovolené

Rutherfordov model mal v čase svojho vzniku „vrodenú chybu“. Podľa Maxwellových zákonov elektrodynamiky (potvrdených už vtedy fungujúcim rádiovým vysielaním) by mal elektrón pohybujúci sa v kruhu vyžarovať elektromagnetickú vlnu.

Takto stráca energiu, v dôsledku čoho padá na jadro. Za normálnych podmienok atómy nevyžarujú (spektrá vznikajú pri zahriatí na vysoké teploty) a nie sú pozorované atómové katastrofy (odhadovaná životnosť elektrónu je menšia ako jedna milióntina sekundy).

Rutherfordov model vysvetlil výsledok experimentu s rozptylom častíc, no stále nezodpovedal realite.

V roku 1913 si ľudia „zvykli“ na to, že energia v mikrokozme sa odoberá a odosiela nie v akomkoľvek množstve, ale po častiach, nazývaných kvantá. Na tomto základe Max Planck vysvetlil povahu spektier žiarenia vyžarovaného zahriatymi telesami (1900) a Albert Einstein (1905) vysvetlil tajomstvá fotoelektrického javu, teda emisie elektrónov osvetlenými kovmi (4).

5. Difrakčný obraz elektrónov na kryštáli oxidu tantalu ukazuje jeho symetrickú štruktúru (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-ročný dánsky fyzik Niels Bohr vylepšil Rutherfordov model atómu. Navrhol, aby sa elektróny pohybovali iba po dráhach, ktoré spĺňajú určité energetické podmienky. Okrem toho elektróny pri svojom pohybe nevyžarujú žiarenie a energia sa absorbuje a vyžaruje iba pri posune medzi obežnými dráhami. Predpoklady odporovali klasickej fyzike, ale výsledky získané na ich základe (veľkosť atómu vodíka a dĺžka čiar jeho spektra) sa ukázali byť v súlade s experimentom. novorodenec model atómu.

Bohužiaľ, výsledky boli platné len pre atóm vodíka (ale nevysvetlili všetky spektrálne pozorovania). Pri ostatných prvkoch výsledky výpočtu nezodpovedali skutočnosti. Fyzici teda ešte nemali teoretický model atómu.

Záhady sa začali vyjasňovať po jedenástich rokoch. Vlnovými vlastnosťami materiálových častíc sa zaoberala doktorandská dizertačná práca francúzskeho fyzika Ludwika de Broglieho. Už bolo dokázané, že svetlo sa okrem typických vlastností vlny (difrakcia, lom) správa aj ako súbor častíc - fotónov (napríklad elastické zrážky s elektrónmi). Ale masové predmety? Tento návrh sa zdal ako sny pre princa, ktorý sa chcel stať fyzikom. V roku 1927 sa však uskutočnil experiment, ktorý potvrdil de Broglieho hypotézu – elektrónový lúč sa difraktoval na kovovom kryštáli (5).

Odkiaľ sa vzali atómy?

Ako všetci ostatní: Veľký tresk. Fyzici sa domnievajú, že doslova v zlomku sekundy od „nulového bodu“ vznikli protóny, neutróny a elektróny, teda základné atómy. O niekoľko minút neskôr (keď sa vesmír ochladil a hustota hmoty klesla) sa nukleóny spojili a vytvorili jadrá prvkov iných ako vodík. Vzniklo najväčšie množstvo hélia, ako aj stopy nasledujúcich troch prvkov. Až po 100 XNUMX Dlhé roky podmienky umožňovali elektrónom viazať sa na jadrá – vznikli prvé atómy. Na ďalší som musel dlho čakať. Náhodné kolísanie hustoty spôsobilo vznik hustôt, ktoré, ako sa objavovali, priťahovali stále viac hmoty. Čoskoro v temnote vesmíru vzplanuli prvé hviezdy.

Asi po miliarde rokov začali niektorí z nich umierať. Vo svojom priebehu produkovali jadrá atómov až po železo. Teraz, keď zomreli, rozšírili ich po celom kraji a z popola sa zrodili nové hviezdy. Najmasívnejší z nich mal veľkolepý koniec. Počas výbuchov supernov boli jadrá bombardované takým množstvom častíc, že ​​vznikli aj tie najťažšie prvky. Vytvorili nové hviezdy, planéty a na niektorých glóbusoch - život.

Existencia hmotných vĺn bola dokázaná. Na druhej strane elektrón v atóme bol považovaný za stojaté vlnenie, vďaka čomu nevyžaruje energiu. Vlnové vlastnosti pohybujúcich sa elektrónov boli použité na vytvorenie elektrónových mikroskopov, ktoré umožnili prvýkrát vidieť atómy (6). V nasledujúcich rokoch práca Wernera Heisenberga a Erwina Schrödingera (na základe de Broglieho hypotézy) umožnila vyvinúť nový model elektrónových obalov atómu, úplne založený na skúsenostiach. Ale to sú otázky nad rámec článku.

Sen alchymistov sa stal skutočnosťou

Prirodzené rádioaktívne premeny, pri ktorých vznikajú nové prvky, sú známe už od konca 1919. storočia. V XNUMX niečo, čoho bola doteraz schopná iba príroda. Ernest Rutherford sa v tomto období zaoberal interakciou častíc s hmotou. Počas testov si všimol, že protóny sa objavili v dôsledku ožiarenia plynným dusíkom.

Jediným vysvetlením javu bola reakcia medzi jadrami hélia (častica a jadro izotopu tohto prvku) a dusíkom (7). V dôsledku toho vzniká kyslík a vodík (protón je jadrom najľahšieho izotopu). Sen alchymistov o transmutácii sa naplnil. V nasledujúcich desaťročiach sa vyrábali prvky, ktoré sa v prírode nenachádzajú.

Prírodné rádioaktívne prípravky emitujúce a-častice už na tento účel nevyhovovali (Coulombova bariéra ťažkých jadier je príliš veľká na to, aby sa k nim priblížila ľahká častica). Z urýchľovačov, odovzdávajúcich jadrám ťažkých izotopov obrovskú energiu, sa ukázali byť „alchymistické pece“, v ktorých sa predkovia dnešných chemikov pokúšali získať „kráľa kovov“ (8).

Vlastne, čo zlato? Alchymisti najčastejšie používali ako surovinu na jej výrobu ortuť. Treba priznať, že v tomto prípade mali poriadny „nos“. Práve z ortuti spracovanej neutrónmi v jadrovom reaktore sa prvýkrát získalo umelé zlato. Kovový kus bol predstavený v roku 1955 na Ženevskej atómovej konferencii.

Obr. 6. Atómy na povrchu zlata, viditeľné na obrázku v skenovacom tunelovom mikroskope.

7. Schéma prvej ľudskej transmutácie prvkov

Správa o úspechu fyzikov vyvolala dokonca krátky rozruch na svetových burzách, no senzačné tlačové správy vyvrátila informácia o cene takto vyťaženej rudy – je mnohonásobne drahšia ako prírodné zlato. Reaktory baňu na drahé kovy nenahradia. Ale izotopy a umelé prvky v nich vyrobené (na účely medicíny, energetiky, vedeckého výskumu) sú oveľa cennejšie ako zlato.

8. Historický cyklotrón syntetizujúci niekoľko prvých prvkov po uráne v periodickej tabuľke (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, august 1939)

Čitateľom, ktorí by chceli preskúmať problémy nastolené v texte, odporúčam sériu článkov od pána Tomasza Sowińského. Objavil sa v "Young Technics" v rokoch 2006-2010 (pod nadpisom "Ako objavili"). Texty sú dostupné aj na webovej stránke autora na adrese: .

Cyklus"S atómom na veky vekov» Začal pripomienkou, že minulé storočie sa často nazývalo vekom atómu. Samozrejme, nemožno si nevšimnúť základné úspechy fyzikov a chemikov XNUMX storočia v štruktúre hmoty. V posledných rokoch sa však poznatky o mikrokozme rozširujú čoraz rýchlejšie, vyvíjajú sa technológie, ktoré umožňujú manipulovať s jednotlivými atómami a molekulami. To nám dáva právo povedať, že skutočný vek atómu ešte nenastal.