Aatomiga läbi aegade – 3. osa

Rutherfordi planeedi aatomimudel oli reaalsusele lähemal kui Thomsoni "rosinapuding". Selle kontseptsiooni eluiga kestis aga vaid kaks aastat, kuid enne järglasest rääkimist on aeg lahti harutada järgmised aatomisaladused.

1. Vesiniku isotoobid: stabiilne prot ja deuteerium ning radioaktiivne triitium (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

tuumalaviin

Aatomi saladuste lahtiharutamise algust tähistanud radioaktiivsuse fenomeni avastamine ohustas esialgu keemia alust – perioodilisuse seadust. Lühikese ajaga tuvastati mitukümmend radioaktiivset ainet. Mõnel neist olid erinevast aatommassist hoolimata samad keemilised omadused, teistel aga sama massiga erinevad omadused. Veelgi enam, perioodilisuse tabeli piirkonnas, kuhu need oleks pidanud oma kaalu tõttu paigutama, ei olnud piisavalt vaba ruumi, et neid kõiki mahutada. Perioodilisustabel kaotati avastuste laviini tõttu.

2. J.J. Thompsoni 1911. aasta massispektromeetri koopia (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

aatomituum

See on 10-100 tuhat. korda väiksem kui kogu aatom. Kui vesinikuaatomi tuum suurendataks 1 cm läbimõõduga palli suuruseks ja asetataks jalgpalliväljaku keskele, oleks elektron (nõelapeast väiksem) värava läheduses. (üle 50 m).

Peaaegu kogu aatomi mass on koondunud tuumasse, näiteks kulla puhul on see peaaegu 99,98%. Kujutage ette selle metalli kuubikut, mis kaalub 19,3 tonni. Kõik aatomite tuumad kulla kogumaht on alla 1/1000 mm3 (kuul läbimõõduga alla 0,1 mm). Seetõttu on aatom kohutavalt tühi. Lugejad peavad arvutama alusmaterjali tiheduse.

Selle probleemi lahenduse leidis 1910. aastal Frederick Soddy. Ta võttis kasutusele isotoopide mõiste, s.o. sama elemendi sordid, mis erinevad oma aatommassi poolest (1). Nii seadis ta kahtluse alla veel ühe Daltoni postulaadi – sellest hetkest alates ei tohiks keemiline element koosneda enam sama massiga aatomitest. Isotoophüpotees võimaldas pärast eksperimentaalset kinnitust (massispektrograaf, 1911) selgitada ka mõne elemendi aatommasside murdväärtusi - enamik neist on paljude isotoopide segud ja aatommass on nende kõigi masside kaalutud keskmine (2).

Kerneli komponendid

Teine Rutherfordi õpilane, Henry Moseley, uuris 1913. aastal teadaolevate elementide poolt kiiratud röntgenikiirgust. Erinevalt komplekssetest optilistest spektritest on röntgenikiirguse spekter väga lihtne – iga element kiirgab ainult kahte lainepikkust, mille lainepikkused on kergesti korrelatsioonis selle aatomituuma laenguga.

3. Üks Moseley kasutatavatest röntgeniaparaatidest (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

See võimaldas esmakordselt esitada olemasolevate elementide tegelikku arvu, samuti määrata, kui paljudest neist veel ei piisa perioodilisuse tabeli (3) lünkade täitmiseks.

Positiivset laengut kandvat osakest nimetatakse prootoniks (kreeka keeles prooton = esimene). Kohe tekkis veel üks probleem. Prootoni mass on ligikaudu võrdne 1 ühikuga. Kusjuures aatomituum 11-ühikulise laenguga naatriumi mass on 23 ühikut? Sama lugu on muidugi ka teiste elementidega. See tähendab, et tuumas peab olema teisi osakesi, millel ei ole laengut. Algselt oletasid füüsikud, et tegemist on elektronidega tugevalt seotud prootonitega, kuid lõpuks tõestati, et tekkis uus osake – neutron (ladina keeles neutraalne = neutraalne). Selle elementaarosakese (nn põhilised "tellised", mis moodustavad kogu mateeria) avastas 1932. aastal inglise füüsik James Chadwick.

Prootonid ja neutronid võivad muutuda üksteiseks. Füüsikud oletavad, et need on nukleoniks nimetatud osakese vormid (ladina keeles nucleus = tuum).

Kuna vesiniku lihtsaima isotoobi tuum on prooton, on näha, et William Prout oma "vesiniku" hüpoteesis aatomi ehitus ta väga ei eksinud (vt: “Aatomiga läbi aegade – 2. osa”; “Noor tehnik” nr 8/2015). Esialgu esines isegi kõikumisi nimede prooton ja "prooton" vahel.

4. Fotoelemendid finišis – nende töö aluseks on fotoelektriline efekt (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Kõik pole lubatud

Rutherfordi mudelil oli ilmumise ajal "kaasasündinud defekt". Maxwelli elektrodünaamika seaduste järgi (mida kinnitab sel ajal juba toimiv raadiosaade) peaks ringis liikuv elektron kiirgama elektromagnetlainet.

Seega kaotab ta energiat, mille tagajärjel langeb tuumale. Tavatingimustes aatomid ei kiirga (kõrge temperatuurini kuumutamisel tekivad spektrid) ja aatomikatastroofe ei täheldata (elektroni hinnanguline eluiga on alla ühe miljondiku sekundist).

Rutherfordi mudel selgitas osakeste hajumise katse tulemust, kuid ei vastanud siiski tegelikkusele.

1913. aastal "harjusid" inimesed sellega, et energiat mikrokosmoses võetakse ja saadetakse mitte suvalises koguses, vaid portsjonitena, mida nimetatakse kvantideks. Selle põhjal selgitas Max Planck kuumutatud kehade kiirgava kiirguse spektrite olemust (1900) ja Albert Einstein (1905) fotoelektrilise efekti, st valgustatud metallide elektronide emissiooni saladusi (4).

5. Elektronide difraktsioonikujutis tantaaloksiidi kristallil näitab selle sümmeetrilist struktuuri (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-aastane Taani füüsik Niels Bohr täiustas Rutherfordi aatomimudelit. Ta pakkus välja, et elektronid liiguvad ainult orbiitidel, mis vastavad teatud energiatingimustele. Lisaks ei kiirga elektronid liikumisel kiirgust ning energia neeldub ja kiirgab ainult siis, kui see on šunteeritud orbiitide vahel. Eeldused olid vastuolus klassikalise füüsikaga, kuid nende põhjal saadud tulemused (vesinikuaatomi suurus ja selle spektrijoonte pikkus) osutusid katsega kooskõlas olevateks. vastsündinud mudel atomu.

Kahjuks kehtisid tulemused ainult vesinikuaatomi kohta (kuid ei selgitanud kõiki spektraalseid vaatlusi). Teiste elementide puhul ei vastanud arvutustulemused tegelikkusele. Seega polnud füüsikutel veel aatomi teoreetilist mudelit.

Müsteeriumid hakkasid selguma üheteistkümne aasta pärast. Prantsuse füüsiku Ludwik de Broglie doktoritöö käsitles materjaliosakeste lainelisi omadusi. Juba on tõestatud, et valgus käitub lisaks laine tüüpilistele omadustele (difraktsioon, murdumine) ka osakeste – footonite kogumina (näiteks elastsed kokkupõrked elektronidega). Aga massiobjektid? See ettepanek tundus füüsikuks saada sooviva printsi unistusena. 1927. aastal viidi aga läbi eksperiment, mis kinnitas de Broglie hüpoteesi – elektronkiir difraktsioon metallikristallil (5).

Kust aatomid tulid?

Nagu kõik teised: Big Bang. Füüsikud usuvad, et sõna otseses mõttes sekundi murdosa jooksul "nullpunktist" moodustusid prootonid, neutronid ja elektronid, see tähendab nende koostises olevad aatomid. Mõni minut hiljem (kui universum jahtus ja aine tihedus vähenes) ühinesid nukleonid kokku, moodustades muude elementide kui vesiniku tuumad. Suurim kogus heeliumi tekkis, samuti jäljed kolmest järgmisest elemendist. Alles pärast 100 XNUMX Paljude aastate jooksul võimaldasid tingimused elektronidel tuumadega seonduda - tekkisid esimesed aatomid. Järgmist pidin kaua ootama. Tiheduse juhuslikud kõikumised põhjustasid tiheduste moodustumise, mis nende ilmnemisel tõmbasid üha rohkem ainet. Peagi süttisid universumi pimeduses esimesed tähed.

Umbes miljardi aasta pärast hakkasid mõned neist surema. Oma kursusel nad tootsid aatomite tuumad alla rauda. Nüüd, kui nad surid, levitasid nad neid üle kogu piirkonna ja tuhast sündisid uued tähed. Massiivseim neist sai suurejoonelise lõpu. Supernoova plahvatuste käigus pommitati tuumasid nii paljude osakestega, et tekkisid ka kõige raskemad elemendid. Nad moodustasid uusi tähti, planeete ja mõnel maakeral ka elu.

Ainelainete olemasolu on tõestatud. Teisest küljest peeti aatomis olevat elektroni seisvaks laineks, mille tõttu see ei kiirga energiat. Elektronmikroskoopide loomisel kasutati liikuvate elektronide laineomadusi, mis võimaldasid esmakordselt näha aatomeid (6). Järgnevatel aastatel võimaldasid Werner Heisenbergi ja Erwin Schrödingeri töö (de Broglie hüpoteesi alusel) välja töötada aatomi elektronkestade uue mudeli, mis põhineb täielikult kogemustel. Kuid need on küsimused, mis jäävad artikli ulatusest välja.

Alkeemikute unistus täitus

Looduslikud radioaktiivsed muundumised, mille käigus tekivad uued elemendid, on tuntud juba 1919. sajandi lõpust. XNUMX-is midagi, milleks on siiani olnud võimeline ainult loodus. Ernest Rutherford tegeles sel perioodil osakeste ja aine vastasmõjuga. Katsete käigus märkas ta, et prootonid tekkisid gaasilise lämmastikuga kiiritamise tulemusena.

Ainus seletus nähtusele oli heeliumi tuumade (osake ja selle elemendi isotoobi tuum) ja lämmastiku (7) vaheline reaktsioon. Selle tulemusena moodustuvad hapnik ja vesinik (prooton on kõige kergema isotoobi tuum). Alkeemikute unistus transmutatsioonist on täitunud. Järgnevatel aastakümnetel toodeti elemente, mida looduses ei leidu.

Looduslikud radioaktiivsed a-osakesi kiirgavad preparaadid selleks otstarbeks enam ei sobinud (raskete tuumade Coulombi barjäär on liiga suur, et kerge osake neile ligi pääseks). Kiirendid, mis andsid raskete isotoopide tuumadele tohutut energiat, osutusid "alkeemilisteks ahjudeks", milles tänapäeva keemikute esivanemad püüdsid saada "metallide kuningat" (8).

Tegelikult aga kullaga? Alkeemikud kasutasid selle tootmiseks toorainena kõige sagedamini elavhõbedat. Tuleb tunnistada, et sel juhul oli neil päris “nina”. Tuumareaktoris neutronitega töödeldud elavhõbedast saadi esmakordselt kunstkuld. Metallist tükki näidati 1955. aastal Genfi aatomikonverentsil.

Joonis 6. Kulla pinnal olevad aatomid, mis on skaneeriva tunnelmikroskoobi kujutisel nähtavad.

7. Elementide esimese inimese transmutatsiooni skeem

Uudis füüsikute saavutusest tekitas maailma börsidel isegi lühiajalist kõmu, kuid sensatsioonilised ajakirjanduse teated lükkas ümber info sel viisil kaevandatud maagi hinna kohta - see on kordades kallim kui looduslik kuld. Reaktorid ei asenda väärismetallikaevandust. Kuid neis toodetud isotoobid ja tehiselemendid (meditsiini, energeetika, teadusuuringute eesmärgil) on palju väärtuslikumad kui kuld.

8. Ajalooline tsüklotron, mis sünteesib paar esimest elementi pärast uraani perioodilisustabelis (Lawrence Radiation Laboratory, California Ülikool, Berkeley, august 1939)

Lugejatele, kes soovivad uurida tekstis tõstatatud probleeme, soovitan hr Tomasz Sowiński artiklite sarja. Ilmus "Young Technicsis" aastatel 2006-2010 (rubriigis "Kuidas nad avastasid"). Tekstid on saadaval ka autori kodulehel aadressil: .

tsükkel"Aatomiga läbi aegade» Ta alustas meeldetuletusega, et möödunud sajandit kutsuti sageli aatomi vanuseks. Muidugi ei saa jätta märkimata XNUMX sajandi füüsikute ja keemikute fundamentaalseid saavutusi mateeria struktuuris. Viimastel aastatel aga avarduvad teadmised mikrokosmosest üha kiiremini, arendatakse tehnoloogiaid, mis võimaldavad üksikute aatomite ja molekulidega manipuleerida. See annab meile õiguse väita, et aatomi tegelik vanus ei ole veel saabunud.