Mat engem Atom duerch d'Zäiten - Deel 3

Dem Rutherford säi planetaresche Modell vum Atom war méi no der Realitéit wéi dem Thomson säi "Rosinpudding". Wéi och ëmmer, d'Liewen vun dësem Konzept huet nëmmen zwee Joer gedauert, awer ier Dir iwwer en Nofolger schwätzt, ass et Zäit fir déi nächst atomar Geheimnisser z'entdecken.

1. Wasserstoffisotopen: stabil Prot an Deuterium a radioaktiv Tritium (Foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

nuklear Lawin

D'Entdeckung vum Phänomen vun der Radioaktivitéit, déi den Ufank vun der Entféierung vun de Mystère vum Atom markéiert huet, huet d'Basis vun der Chimie ufanks menacéiert - d'Gesetz vun der Periodizitéit. A kuerzer Zäit goufen e puer Dose radioaktiv Substanzen identifizéiert. E puer vun hinnen haten déiselwecht chemesch Eegeschaften, trotz der ënnerschiddlecher Atommass, anerer, mat der selwechter Mass, hunn aner Eegeschaften. Ausserdeem, am Beräich vun der Periodetabelle, wou se wéinst hirem Gewiicht sollte plazéiert ginn, war et net genuch fräi Plaz fir se all z'empfänken. De Periodesystem gouf duerch eng Lawine vun Entdeckungen verluer.

2. Replica vum J.J. Thompson sengem 1911 Massespektrometer (Foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

atomarer Kär

Dëst ass 10-100 dausend. Mol méi kleng wéi de ganzen Atom. Wann de Kär vun engem Waasserstoffatom op d'Gréisst vun engem Ball mat engem Duerchmiesser vun 1 cm vergréissert ginn an an d'Mëtt vun engem Fussballsterrain plazéiert ginn, da wier en Elektron (méi kleng wéi e Pinhead) an der Géigend vun engem Goal (iwwer 50 m).

Bal déi ganz Mass vun engem Atom ass am Kär konzentréiert, zum Beispill, fir Gold ass et bal 99,98%. Stellt Iech e Wierfel vun dësem Metal vir, deen 19,3 Tonnen waacht. All Käre vun Atomer Gold hunn e Gesamtvolumen vu manner wéi 1/1000 mm3 (e Kugel mat engem Duerchmiesser vu manner wéi 0,1 mm). Dofir ass den Atom schrecklech eidel. D'Lieser mussen d'Dicht vum Basismaterial berechnen.

D'Léisung fir dëse Problem gouf 1910 vum Frederick Soddy fonnt. Hien huet d'Konzept vun Isotopen agefouert, d.h. Varietéiten vum selwechten Element, déi an hirer Atommass ënnerscheeden (1). Domat huet hien en anere Postulat vum Dalton a Fro gestallt - vun deem Moment un soll e chemescht Element net méi aus Atomer vun der selwechter Mass bestoen. D'isotopesch Hypothese, no experimenteller Bestätegung (Massspektrograph, 1911), huet et och méiglech gemaach d'Fraktiounswäerter vun den Atommassen vun e puer Elementer z'erklären - déi meescht vun hinnen si Mëschunge vu villen Isotopen, an atomarer Mass ass de gewiichtten Duerchschnëtt vun de Massen vun hinnen all (2).

Kernel Komponente

En aneren vun de Rutherford Studenten, Henry Moseley, huet Röntgenstrahlen studéiert, déi vu bekannten Elementer emittéiert goufen am Joer 1913. Am Géigesaz zu komplexen opteschen Spektrum ass de Röntgenspektrum ganz einfach - all Element emittéiert nëmmen zwou Wellelängten, d'Wellelänge vun deenen si liicht mat der Ladung vu sengem Atomkär korreléiert.

3. Ee vun de Röntgenmaschinne benotzt vum Moseley (Foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Dëst huet et fir d'éischte Kéier méiglech gemaach fir déi reell Zuel vun existéierende Elementer ze presentéieren, wéi och ze bestëmmen, wéi vill vun hinnen nach ëmmer net genuch sinn fir d'Lücken am Periodesystem ze fëllen (3).

E Partikel mat enger positiver Ladung gëtt e Proton genannt (griichesch Proton = Éischten). En anere Problem ass direkt entstanen. D'Mass vun engem Proton ass ongeféier d'selwecht wéi 1 Eenheet. Woubäi atomarer Kär Natrium mat enger Ladung vun 11 Eenheeten huet eng Mass vun 23 Eenheeten? Datselwecht ass natierlech de Fall mat aneren Elementer. Dëst bedeit datt et aner Partikelen am Kär musse sinn an net eng Ladung hunn. Am Ufank hunn d'Physiker ugeholl datt dëst staark gebonnen Protone mat Elektronen waren, awer um Enn gouf bewisen datt en neie Partikel erschéngt - den Neutron (laténgesch Neutrum = neutral). D'Entdeckung vun dësem Elementarpartikel (déi sougenannte Basis "Zille" déi all Matière ausmaachen) gouf 1932 vum englesche Physiker James Chadwick gemaach.

Protonen an Neutrone kënnen sech anenee verwandelen. Physiker spekuléieren datt se Forme vun engem Partikel sinn, deen en Nukleon genannt gëtt (laténgesch Kär = Kär).

Well de Kär vum einfachsten Isotop vu Waasserstoff e Proton ass, kann ee gesinn datt de William Prout a senger "Waasserstoff" Hypothes Atomkonstruktioun hien war net ze falsch (kuckt: "Mam Atom duerch d'Zäiten - Deel 2"; "Jong Techniker" Nr 8/2015). Am Ufank gouf et souguer Schwankungen tëscht den Nimm Proton a "Proton".

4. Fotozellen um Enn - Basis vun hirer Aarbecht ass de fotoelektreschen Effekt (Foto: Ies / Wikimedia Commons)

Net alles ass erlaabt

Dem Rutherford säi Modell zum Zäitpunkt vu senger Erscheinung hat e "gebuerene Defekt". No de Gesetzer vun der Elektrodynamik vum Maxwell (bestätegt duerch Radiosendungen déi deemools scho funktionnéieren), soll en Elektron, deen an engem Krees beweegt, eng elektromagnetesch Welle ausstrahlen.

Sou verléiert et Energie, als Resultat vun deem et op de Kär fällt. Ënner normalen Bedéngungen strahlen d'Atomer net aus (Spektra gi geformt wann se op héijen Temperaturen erhëtzt ginn) an atomar Katastrophen ginn net observéiert (d'geschätzte Liewensdauer vun engem Elektron ass manner wéi eng Milliounstel vun enger Sekonn).

Dem Rutherford säi Modell huet d'Resultat vum Partikelstreetexperiment erkläert, awer nach ëmmer net der Realitéit entsprécht.

Am Joer 1913 hunn d'Leit "gewinnt" mat der Tatsaach, datt d'Energie am Mikrokosmos geholl gëtt an net an enger Quantitéit geschéckt gëtt, awer a Portiounen, genannt Quanta. Op dëser Basis erkläert de Max Planck d'Natur vun de Stralungsspektre, déi duerch erhëtzte Kierper emittéiert ginn (1900), an den Albert Einstein (1905) erkläert d'Geheimnisser vum photoelektreschen Effekt, also d'Emissioun vun Elektronen duerch beliichte Metaller (4).

5. Diffraktiounsbild vun Elektronen op engem Tantaloxid-Kristall weist seng symmetresch Struktur (Foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Den 28 Joer ale dänesche Physiker Niels Bohr huet dem Rutherford säi Modell vum Atom verbessert. Hien huet virgeschloen datt d'Elektronen nëmmen an Ëmlafbunnen bewegen, déi bestëmmten Energiebedéngungen erfëllen. Zousätzlech strahlen d'Elektronen keng Stralung aus wéi se sech bewegen, an d'Energie gëtt nëmmen absorbéiert an emittéiert wann se tëscht Ëmlafbunnen shuntéiert ginn. D'Annahmen widdersprécht der klassescher Physik, awer d'Resultater, déi op hirer Basis kritt goufen (Gréisst vum Waasserstoffatom an d'Längt vun de Linnen vu sengem Spektrum) waren konsequent mam Experiment. nei gebuer Modell atomu.

Leider waren d'Resultater nëmme fir de Waasserstoffatom valabel (awer hunn net all d'Spektralobservatiounen erkläert). Fir aner Elementer hunn d'Berechnungsresultater net der Realitéit entspriechen. Also hunn d'Physiker nach keen theoretesche Modell vum Atom.

Mystèren hunn ugefaang no eelef Joer opzeklären. D'Doktoratsaarbecht vum franséische Physiker Ludwik de Broglie beschäftegt sech mat de Wellegenschafte vu Materialpartikelen. Et ass scho bewisen datt d'Liicht, nieft den typesche Charakteristike vun enger Welle (Diffraktioun, Refraktioun), sech och wéi eng Sammlung vu Partikelen - Photonen (zum Beispill elastesche Kollisiounen mat Elektronen) behält. Awer Mass Objeten? De Virschlag schéngt wéi e Päif Dram fir e Prënz, deen e Physiker ginn wollt. Wéi och ëmmer, 1927 gouf en Experiment duerchgefouert, deen dem de Broglie seng Hypothese bestätegt huet - den Elektronenstrahl huet sech op engem Metallkristall (5) ofgebueden.

Wou koumen Atomer hier?

Wéi all aner: Big Bang. Physiker gleewen datt wuertwiertlech an enger Fraktioun vun enger Sekonn aus dem "Nullpunkt" Protonen, Neutronen an Elektronen geformt goufen, dat heescht déi konstituéierend Atomer. E puer Minutten méi spéit (wann d'Universum ofgekillt an d'Dicht vun der Matière erofgaang ass), hunn d'Nukleonen zesummegefaasst, an d'Käre vun anere Elementer wéi Waasserstoff geformt. De gréisste Betrag vun Helium gouf geformt, souwéi Spure vun den folgenden dräi Elementer. Eréischt no 100 XNUMX Fir vill Joren hunn d'Konditioune erlaabt datt Elektronen un Käre binden - déi éischt Atomer goufen geformt. Ech hu misse laang op déi nächst waarden. Zoufälleg Schwankungen an der Dicht hunn d'Bildung vun Densitéiten verursaacht, déi, wéi se erschéngen, ëmmer méi Matière ugezunn hunn. Geschwënn, an der Däischtert vum Universum, sinn déi éischt Stären opgeblosen.

No ongeféier enger Milliard Joer hunn e puer vun hinnen ugefaang ze stierwen. An hirem Cours hunn se produzéiert Käre vun Atomer erof op Eisen. Elo, wéi se gestuerwen sinn, hunn se se duerch d'ganz Regioun verbreet, an nei Stäre goufen aus der Äsche gebuer. Déi massiv vun hinnen haten e spektakulären Enn. Bei Supernova-Explosiounen goufen d'Käre mat esou vill Partikel bombardéiert, datt souguer déi schwéierst Elementer entstane sinn. Si geformt nei Stären, Planéiten, an op e puer Globus - Liewen.

D'Existenz vu Matièrewellen ass bewisen. Op der anerer Säit gouf en Elektron an engem Atom als eng stänneg Welle ugesinn, wéinst där et keng Energie ausstrahlt. D'Welleneigenschafte vu bewegende Elektronen goufen benotzt fir Elektronenmikroskopen ze kreéieren, déi et méiglech gemaach hunn Atomer fir d'éischt Kéier ze gesinn (6). An de Joren duerno huet d'Aarbecht vum Werner Heisenberg an Erwin Schrödinger (op der Basis vun der de Broglie Hypothese) et méiglech gemaach en neie Modell vun den Elektroneschuelen vum Atom z'entwéckelen, komplett op Erfahrung baséiert. Awer dës si Froen iwwer den Ëmfang vum Artikel.

Den Dram vun den Alchemisten ass richteg ginn

Natierlech radioaktiv Transformatiounen, an deenen nei Elementer geformt ginn, sinn zënter Enn vum 1919. Joerhonnert bekannt. Am XNUMX, eppes wat nëmmen d'Natur bis elo fäeg war. Den Ernest Rutherford war während dëser Period an der Interaktioun vu Partikel mat Matière engagéiert. Während den Tester huet hien gemierkt datt d'Protonen als Resultat vun der Bestrahlung mat Stickstoffgas erschéngen.

Déi eenzeg Erklärung fir de Phänomen war d'Reaktioun tëscht Heliumkäre (e Partikel an de Kär vun engem Isotop vun dësem Element) a Stickstoff (7). Als Resultat ginn Sauerstoff a Waasserstoff geformt (e Proton ass de Kär vum liichste Isotop). Den Dram vun den Alchemisten vun der Transmutatioun ass richteg ginn. An de folgende Joerzéngte goufen Elementer produzéiert déi net an der Natur fonnt ginn.

Natierlech radioaktiv Virbereedungen, déi A-Partikel emittéieren, ware fir dësen Zweck net méi gëeegent (d'Coulomb-Barriär vu schwéiere Käre ass ze grouss fir e liichte Partikel hinnen ze kommen). D'Acceleratoren, déi enorm Energie un d'Käre vu schwéieren Isotopen vermëttelen, hunn sech als "alchemesch Schmelzen" erausgestallt, an deenen d'Virfahre vun den haitege Chemiker probéiert de "Kinnek vun de Metalle" ze kréien (8).

Eigentlech, wat iwwer Gold? Alchemisten hunn meeschtens Quecksilber als Rohmaterial fir seng Produktioun benotzt. Et muss zouginn datt se an dësem Fall eng richteg "Nues" haten. Et war aus Quecksilber behandelt mat Neutronen an engem Atomreaktor datt kënschtlech Gold fir d'éischt kritt gouf. D'Metallstéck gouf 1955 op der Genfer Atomkonferenz gewisen.

Fig. 6. Atomer op der Uewerfläch vun Gold, siichtbar am Bild an engem Scannen Tunnel Mikroskop.

7. Schema vun der éischter mënschlech Transmutatioun vun den Elementer

D'Nouvelle vun der Erreeche vun de Physiker huet souguer e kuerzen Opschwong op de Weltbörsen verursaacht, awer déi sensationell Presseberichter goufen duerch Informatioun iwwer de Präis vum Äerz op dës Manéier ofgerappt - et ass vill Mol méi deier wéi natierlecht Gold. Reaktoren wäerten d'Edelmetallgruef net ersetzen. Awer d'Isotopen a kënschtlech Elementer déi an hinnen produzéiert ginn (fir Medezin, Energie, wëssenschaftlech Fuerschung) si vill méi wäertvoll wéi Gold.

8. Historesch Cyclotron synthetiséiert déi éischt puer Elementer nom Uran am periodeschen Dësch (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, August 1939)

Fir d'Lieser, déi d'Problemer, déi am Text opgeworf ginn, wëllen entdecken, recommandéieren ech eng Serie vun Artikelen vum Här Tomasz Sowiński. Erschien an "Young Technics" an 2006-2010 (ënnert der Rubrik "Wéi se entdeckt"). D'Texter sinn och op der Websäit vum Auteur op:.

Zyklus"Mat engem Atom fir Joerhonnerte» Hien huet ugefaang mat enger Erënnerung datt d'lescht Joerhonnert dacks den Alter vum Atom genannt gouf. Natierlech kann een d'fundamental Erreeche vu Physiker a Chemiker vum XNUMXth Joerhonnert an der Struktur vun der Matière notéieren. Wéi och ëmmer, an de leschte Joeren ass d'Wëssen iwwer de Mikrokosmos ëmmer méi séier ausgebaut, Technologien ginn entwéckelt, déi et erlaben eenzel Atomer a Molekülen ze manipuléieren. Dëst gëtt eis d'Recht ze soen datt de richtegen Alter vum Atom nach net ukomm ass.