З атамам скрозь стагоддзі – частка 3

Планетарная мадэль атама Рэзерфарда была бліжэй да рэальнасці, чым "пудынг з разынкамі" Томсана. Аднак жыццё гэтага канцэпта працягнулася ўсяго два гады, але перш чым казаць аб пераемніку - час разгадваць чарговыя атамныя сакрэты.

1. Ізатопы вадароду: стабільны прот і дэйтэрый і радыеактыўны трытый (фота: BruceBlaus / Wikimedia Commons).

Атамная лавіна

Адкрыццё з'явы радыеактыўнасці, якое паклала пачатак разгадцы таямніц атама, першапачаткова паставіла пад пагрозу аснову хіміі - закон перыядычнасці. За кароткі час было ідэнтыфікавана некалькі дзясяткаў радыеактыўных рэчываў. Адны з іх валодалі аднолькавымі хімічнымі ўласцівасцямі, нягледзячы на ​​розную атамную масу, а іншыя, пры аднолькавых масах, валодалі рознымі ўласцівасцямі. Больш за тое, у той вобласці табліцы Мендзялеева, дзе яны павінны былі быць размешчаны з-за іх вагі, не хапіла вольнага месца, каб размясціць іх усіх. Перыядычная табліца была страчана з-за лавіны адкрыццяў.

2. Рэпліка мас-спектрометра Дж. Дж. Томпсана 1911 (фота: Джэф Даль / Wikimedia Commons)

Атамнае ядро

Гэта 10-100 тысяч. разоў менш, чым увесь атам. Калі б ядро ​​атама вадароду павялічыць да памераў мяча дыяметрам 1 гл і змясціць у цэнтр футбольнага поля, то электрон (менш шпількавай галоўкі) апынуўся б у наваколлі гол (звыш 50 м).

Практычна ўся маса атама засяроджана ў ядры, напрыклад, для золата яна складае амаль 99,98%. Уявіце сабе куб з гэтага металу вагой 19,3 тоны. Усё ядры атамаў золата маюць агульны аб'ём менш за 1/1000 мм3 (шар дыяметрам менш за 0,1 мм). Такім чынам, атам жудасна пусты. Чытачы павінны разлічыць шчыльнасць асноўнага рэчыва.

Рашэнне гэтай праблемы было знойдзена ў 1910 годзе Фрэдэрыкам Содзі. Ён увёў паняцце ізатопаў, г.зн. разнавіднасцяў аднаго і таго ж элемента, якія адрозніваюцца сваёй атамнай масай (1). Такім чынам, ён паставіў пад сумнеў яшчэ адзін пастулат Дальтона - з гэтага моманту хімічны элемент больш не павінен складацца з атамаў аднолькавай масы. Ізатопная гіпотэза пасля эксперыментальнага пацверджання (мас-спектрограф, 1911 г.) таксама дазволіла растлумачыць дробавыя значэнні атамных мас некаторых элементаў – большасць з іх уяўляюць сабою сумесі шматлікіх ізатопаў, прычым атамная маса з'яўляецца сярэднеўзважаным значэннем мас усіх з іх (2).

Кампаненты ядра

Іншы вучань Рэзерфарда, Генры Мозлі, у 1913 годзе вывучаў рэнтгенаўскія прамяні, якія выпускаюцца вядомымі элементамі. У адрозненне ад складаных аптычных спектраў, рэнтгенаўскі спектр вельмі просты - кожны элемент выпраменьвае толькі дзве хвалі, даўжыні якіх лёгка суадносяцца з зарадам яго атамнага ядра.

3. Адзін з рэнтгенаўскіх апаратаў, якімі карыстаўся Мозлі (фота: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Гэта дазволіла ўпершыню прадставіць рэальную колькасць існуючых элементаў, а таксама вызначыць, колькі з іх яшчэ не хапае для запаўнення прабелаў у табліцы Мендзялеева (3).

Часціца-носьбіт станоўчага зарада называецца пратонам (грэч. пратон = першы). Адразу ўзнікла іншая праблема. Маса пратона прыкладна роўная 1 адз. Тады як атамнае ядро натрый пры зарадзе 11 адзінак мае масу 23 адз? Тое ж самае, вядома, і ў выпадку зь іншымі элемэнтамі. Значыць, павінны быць і іншыя часціцы, якія прысутнічаюць у ядры і не мелыя зарада. Першапачаткова фізікі меркавалі, што гэта трывала звязаныя пратоны з электронамі, але ў выніку было даказана, што з'явілася новая часціца - нейтрон (лац. neuter = нейтральны). Адкрыццё гэтай элементарнай часціцы (так называюцца асноўныя «цаглінкі», з якіх складаецца ўся матэрыя) было зроблена ў 1932 годзе англійскім фізікам Джэймсам Чэдвікам.

Пратоны і нейтроны могуць ператварацца сябар у сябра. Фізікі мяркуюць, што яны з'яўляюцца формамі часціцы, званай нуклон (лацінскае ядро ​​= ядро).

Паколькі ядром найпростага ізатопа вадароду з'яўляецца пратон, відаць, што Уільям Праут ў сваёй «вадароднай» гіпотэзе будова атама ён не занадта памыляўся (гл.: “З атамам скрозь стагоддзі – частка 2”; “Юны тэхнік” №8/2015). Першапачаткова былі нават ваганні паміж назвамі пратон і "правутон".

4. Фотаэлементы на фінішы – у аснове іх працы ляжыць фотаэфект (фота: Ies/Wikimedia Commons)

Не ўсё дазволена

Мадэль Резерфорда на момант свайго з'яўлення мела "прыроджаны дэфект". Згодна з законамі электрадынамікі Максвела (пацверджаным радыёфункцыянаваннем у той час), электрон, які рухаецца па акружнасці, павінен выпраменьваць электрамагнітную хвалю.

Такім чынам, ён губляе энергію, у выніку чаго падае на ядро. У нармальных умовах атамы не выпраменьваюць (спектры фармуюцца пры нагрэве да высокіх тэмператур) і не назіраюцца атамныя катастрофы (разліковы час жыцця электрона менш за адну мільённую секунду).

Мадэль Резерфорда тлумачыла вынік эксперыменту па рассейванні часціц, але ўсё ж не адпавядала рэчаіснасці.

У 1913 годзе людзі "прывыклі" да таго, што энергія ў мікрасвеце бярэцца і пасылаецца не ў любой колькасці, а порцыямі, званымі квантамі. На гэтай аснове Макс Планк растлумачыў прыроду спектраў выпраменьвання, якое выпускаецца нагрэтымі целамі (1900 г.), а Альберт Эйнштэйн (1905 г.) — таямніцы фотаэфекту, г. зн. выпускання электронаў асветленымі металамі (4).

5. Дыфракцыйная выява электронаў на крышталі аксіду тантала паказвае яго сіметрычную структуру (фота: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-гадовы дацкі фізік Нільс Бор удасканаліў мадэль атама Рэзерфарда. Ён выказаў меркаванне, што электроны рухаюцца толькі па арбітах, якія адпавядаюць пэўным энергетычным умовам. Акрамя таго, электроны не выпраменьваюць выпраменьванне пры руху, а энергія паглынаецца і выпраменьваецца толькі пры шунтаванні паміж арбітамі. Дапушчэнні супярэчылі класічнай фізіцы, але атрыманыя на іх аснове вынікі (памер атама вадароду і даўжыня ліній яго спектру) апынуліся якія ўзгадняюцца з эксперыментам. Нарадзіўся новы мадэль атаму.

Нажаль, вынікі былі справядлівыя толькі для атама вадароду (але не тлумачылі ўсе спектральныя назіранні). Па астатніх элементах вынікі разлікаў не адпавядалі рэчаіснасці. Такім чынам, у фізікаў яшчэ не было тэарэтычнай мадэлі атама.

Таямніцы пачалі выясняцца праз адзінаццаць гадоў. Доктарская дысертацыя французскага фізіка Людвіка дэ Бройля тычылася хвалевых уласцівасцяў матэрыяльных часціц. Ужо даказана, што святло, апроч тыповых характарыстык хвалі (дыфракцыя, праламленне), паводзіць сябе таксама як сукупнасць часціц - фатонаў (напрыклад, пругкія сутыкненні з электронамі). Але масавыя аб'екты? Здагадка здавалася нязбытнай марай прынца, які хацеў стаць фізікам. Аднак у 1927 г. быў праведзены эксперымент, які пацвердзіў гіпотэзу дэ Бройля - струмень электронаў дыфрагаваў на металічным крышталі (5).

Адкуль узяліся атамы?

Як і ўсё: Вялікі выбух. Фізікі лічаць, што літаральна за долі секунды ад «нулявой кропкі» утварыліся пратоны, нейтроны і электроны, гэта значыць складнікі атамы. Праз некалькі хвілін (калі Сусвет астыў і шчыльнасць матэрыі паменшылася), нуклоны зліліся разам, утварыўшы ядры элементаў, выдатных ад вадароду. Утварылася найбольшая колькасць гелія, а таксама сляды наступных трох элементаў. Толькі пасля 100 XNUMX На працягу многіх гадоў умовы дазвалялі звязваць электроны з ядрамі - былі сфарміраваны першыя атамы. Прыйшлося доўга чакаць наступных. Выпадковыя флуктуацыі шчыльнасці выклікалі адукацыю шчыльнасцяў, якія, з'яўляючыся, прыцягвалі ўсё больш і больш матэрыі. Неўзабаве ў цемры Сусвету ўспыхнулі першыя зоркі.

Прыкладна праз мільярд гадоў некаторыя зь іх пачалі паміраць. У сваім ходзе яны зрабілі ядры атамаў аж да жалеза. Цяпер, калі яны паміралі, яны распаўсюджвалі іх па ўсім рэгіёне, і з попелу нараджаліся новыя зоркі. Самыя масіўныя з іх мелі эфектны канец. Падчас выбухаў звышновых ядра бамбардзіраваліся такой колькасцю часціц, што ўтвараліся нават самыя цяжкія элементы. З іх утварыліся новыя зоркі, планеты, а на некаторых глобусах - жыццё.

Даказана існаванне хваль матэрыі. З іншага боку, электрон у атаме разглядаўся як стаялая хваля, дзякуючы якой ён не выпраменьвае энергію. Хвалевыя ўласцівасці рухомых электронаў былі скарыстаны для стварэння электронных мікраскопаў, што дазволіла ўпершыню ўбачыць атамы (6). У наступныя гады працы Вернера Гейзенберга і Эрвіна Шрэдынгера (на аснове гіпотэзы дэ Бройля) дазволілі распрацаваць новую, цалкам заснаваную на досведзе мадэль электронных абалонак атама. Але гэта пытанні, якія выходзяць за рамкі артыкула.

Мара алхімікаў спраўдзілася

Натуральныя радыеактыўныя ператварэнні, пры якіх утвараюцца новыя элементы, вядомыя з канца 1919 стагоддзя. У XNUMX годзе тое, на што да гэтага часу была здольная толькі прырода. Эрнэст Резерфорд у гэты перыяд займаўся ўзаемадзеяннем часціц з рэчывам. У час выпрабаванняў ён заўважыў, што пратоны з'яўляліся ў выніку апрамянення газападобным азотам.

Адзіным тлумачэннем з'явы была рэакцыя паміж ядрамі гелія (часціца і ядро ​​ізатопа гэтага элемента) і азотам (7). У выніку ўтвараюцца кісларод і вадарод (пратон - ядро ​​самага лёгкага ізатопа). Мара алхімікаў аб трансмутацыі спраўдзілася. У наступныя дзесяцігоддзі былі зроблены элементы, якія не сустракаюцца ў прыродзе.

Прыродныя радыеактыўныя прэпараты, якія выпускаюць а-часціцы, ужо не падыходзілі для гэтай мэты (кулонаўскі бар'ер цяжкіх ядраў занадта вялікі, каб да іх магла наблізіцца лёгкая часціца). Паскаральнікі, якія паведамляюць ядрам цяжкіх ізатопаў велізарную энергію, апынуліся "алхімічнымі печамі", у якіх продкі цяперашніх хімікаў спрабавалі атрымаць "цара металаў" (8).

Уласна, а як жа золата? У якасці сыравіны для яго вытворчасці алхімікі часцей за ўсё выкарыстоўвалі ртуць. Трэба прызнаць, што ў дадзеным выпадку ў іх быў самы сапраўдны "нос". Менавіта з ртуці, апрацаванай нейтронамі ў ядзерным рэактары, упершыню было атрымана штучнае золата. Металічны кавалак быў паказаны ў 1955 годзе на Жэнеўскай атамнай канферэнцыі.

6. Атамы на паверхні золата, бачныя на малюнку ў сканавальным тунэльным мікраскопе.

7. Схема першай чалавечай трансмутацыі элементаў

Вестка аб дасягненні фізікаў нават выклікала нядоўгі ажыятаж на сусветных біржах, але сенсацыйныя паведамленні прэсы былі абвергнуты інфармацыяй аб кошце здабытай такім чынам руды - яна ў шмат разоў даражэй за прыроднае золата. Рэактары не заменяць шахту каштоўнага металу. Але вырабляныя ў іх ізатопы і штучныя элементы (для мэт медыцыны, энергетыкі, навуковых даследаванняў) значна каштоўней золата.

8. Гістарычны цыклатрон, які сінтэзуе першыя некалькі элементаў пасля ўрану ў перыядычнай табліцы (Радыяцыйная лабараторыя Лоўрэнса Каліфарнійскага ўніверсітэта, Берклі, жнівень 1939 г.)

Чытачам, якія хацелі б вывучыць пытанні, закранутыя ў тэксце, я рэкамендую серыю артыкулаў спадара Томаша Савінскага. З'яўлялася ў "Юным Тэхніку" ў 2006-2010 гадах (у рубрыцы "Як адкрылі"). Тэксты таксама даступныя на сайце аўтара па адрасе: .

Цыкл “З атамам назаўжды» Пачаў з напамінку аб тым, што мінулае стагоддзе часта называлі стагоддзем атама. Вядома, нельга не адзначыць фундаментальныя дасягненні фізікаў і хімікаў XNUMX стагоддзі ў будынку матэрыі. Аднак у апошнія гады веды аб мікрасвеце пашыраюцца ўсё хутчэй і хутчэй, распрацоўваюцца тэхналогіі, якія дазваляюць маніпуляваць асобнымі атамамі і малекуламі. Гэта дае нам права сказаць, што сапраўднае стагоддзе атама яшчэ не наступіла.