Uban sa usa ka atomo sa mga katuigan - bahin 3

Ang planetaryong modelo ni Rutherford sa atomo mas duol sa kamatuoran kay sa "raisin pudding" ni Thomson. Bisan pa, ang kinabuhi sa kini nga konsepto milungtad lamang sa duha ka tuig, apan sa wala pa maghisgot bahin sa usa ka manununod, panahon na aron maablihan ang sunod nga mga sekreto sa atomic.

1. Hydrogen isotopes: stable nga prot ug deuterium ug radioactive tritium (litrato: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

nukleyar nga avalanche

Ang pagkadiskobre sa panghitabo sa radioactivity, nga nagtimaan sa sinugdanan sa unraveling sa mga misteryo sa atomo, sa sinugdan gihulga ang basehan sa chemistry - ang balaod sa periodicity. Sa mubo nga panahon, daghang dosena nga mga radioactive substance ang naila. Ang uban kanila adunay parehas nga kemikal nga mga kabtangan, bisan pa sa lainlaing atomic nga masa, samtang ang uban, nga adunay parehas nga masa, adunay lainlaing mga kabtangan. Dugang pa, sa lugar sa periodic table kung diin sila kinahanglan nga ibutang tungod sa ilang gibug-aton, wala’y igo nga libre nga wanang aron ma-accommodate silang tanan. Ang periodic table nawala tungod sa usa ka avalanche sa mga nadiskobrehan.

2. Replika sa 1911 mass spectrometer ni J.J. Thompson (litrato: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

atomic nucleus

Kini mao ang 10-100 ka libo. mas gamay kay sa tibuok atomo. Kung ang nucleus sa usa ka atomo sa hydrogen padak-on sa gidak-on sa usa ka bola nga adunay diyametro nga 1 cm ug ibutang sa tunga sa usa ka football field, nan ang usa ka electron (mas gamay pa sa usa ka pinhead) anaa sa palibot sa usa ka tumong. (labaw sa 50 m).

Hapit ang tibuuk nga masa sa usa ka atomo gikonsentrar sa nucleus, pananglitan, alang sa bulawan hapit 99,98%. Hunahunaa ang usa ka cube niini nga metal nga motimbang ug 19,3 ka tonelada. Ang tanan nuclei sa mga atomo bulawan adunay usa ka kinatibuk-ang gidaghanon sa ubos pa kay sa 1/1000 mm3 (usa ka bola uban sa diametro sa ubos pa kay sa 0,1 mm). Busa, ang atomo kay walay sulod. Kinahanglang kuwentahon sa mga magbabasa ang densidad sa base nga materyal.

Ang solusyon niini nga problema nakit-an niadtong 1910 ni Frederick Soddy. Gipaila niya ang konsepto sa isotopes, i.e. lahi sa parehas nga elemento nga lahi sa ilang atomic mass (1). Busa, gikuwestiyon niya ang usa pa sa mga postulate ni Dalton - gikan karon, ang usa ka elemento sa kemikal kinahanglan dili na maglangkob sa mga atomo sa parehas nga masa. Ang isotope hypothesis, pagkahuman sa eksperimento nga kumpirmasyon (mass spectrograph, 1911), nagpaposible usab nga ipatin-aw ang mga fractional nga kantidad sa atomic nga masa sa pipila nga mga elemento - kadaghanan niini mga panagsagol sa daghang mga isotopes, ug atomic nga masa mao ang gibug-aton nga aberids sa masa sa tanan niini (2).

Mga sangkap sa Kernel

Ang laing estudyante ni Rutherford, si Henry Moseley, niadtong 1913 nagtuon sa X-ray nga gipagawas sa nailhang mga elemento. Dili sama sa komplikado nga optical spectra, ang X-ray spectrum yano ra kaayo - ang matag elemento nagpagawas lamang og duha ka wavelength, ang mga wavelength niini daling nalambigit sa charge sa atomic nucleus niini.

3. Usa sa mga X-ray machine nga gigamit ni Moseley (litrato: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Kini nagpaposible sa unang higayon sa pagpresentar sa tinuod nga gidaghanon sa kasamtangan nga mga elemento, ingon man sa pagtino kon pila kanila ang dili pa igo aron mapuno ang mga kal-ang sa periodic table (3).

Ang partikulo nga nagdala ug positibo nga karga gitawag ug proton (Greek proton = una). Nitumaw dayon ang laing problema. Ang masa sa usa ka proton gibana-bana nga katumbas sa 1 unit. Samtang atomic nucleus sodium nga adunay bayad nga 11 ka yunit adunay masa nga 23 ka yunit? Ingon usab, siyempre, ang kaso sa ubang mga elemento. Kini nagpasabot nga kinahanglan nga adunay ubang mga partikulo nga anaa sa nucleus nga walay bayad. Sa sinugdan, ang mga physicist nagtuo nga kini hugot nga gigapos nga mga proton nga adunay mga electron, apan sa katapusan napamatud-an nga usa ka bag-ong partikulo ang mitungha - ang neutron (Latin neuter = neutral). Ang pagkadiskobre niining elementarya nga partikulo (ang gitawag nga sukaranan nga "mga bloke sa pagtukod" nga naglangkob sa tanang butang) gihimo niadtong 1932 sa Ingles nga pisiko nga si James Chadwick.

Ang mga proton ug mga neutron mahimong mahimong usag usa. Ang mga physicist nangagpas nga sila mga porma sa partikulo nga gitawag ug nucleon (Latin nucleus = nucleus).

Tungod kay ang nucleus sa pinakasimple nga hydrogen isotope kay usa ka proton, makita nga si William Prout sa iyang "hydrogen" hypothesis pagtukod sa atomo wala siya masayop kaayo (tan-awa ang: "Uban sa atom sa mga siglo - bahin 2"; "Batan-ong Technician" No. 8/2015). Sa sinugdan adunay bisan pagduha-duha tali sa mga ngalan nga proton ug "prouton".

4. Photocells sa pagkahuman - ang basehan sa ilang trabaho mao ang photoelectric effect (photo: Ies / Wikimedia Commons)

Dili tanan pwede

Ang modelo ni Rutherford sa panahon sa pagpakita niini adunay "congenital defect". Sumala sa mga balaod sa electrodynamics ni Maxwell (gipamatud-an sa pagsibya sa radyo nga naglihok na nianang panahona), ang usa ka electron nga naglihok sa usa ka lingin kinahanglan nga modan-ag sa usa ka electromagnetic wave.

Busa, kini mawad-an sa enerhiya, ingon sa usa ka resulta nga kini mahulog sa nucleus. Ubos sa normal nga mga kondisyon, ang mga atomo dili modan-ag (ang spectra maporma kung gipainit sa taas nga temperatura) ug ang atomic nga mga katalagman dili maobserbahan (ang gibanabana nga kinabuhi sa usa ka electron ubos pa sa usa ka milyon sa usa ka segundo).

Gipatin-aw sa modelo ni Rutherford ang resulta sa eksperimento sa pagsabwag sa partikulo, apan wala gihapon kini katumbas sa kamatuoran.

Sa 1913, ang mga tawo "naanad" sa kamatuoran nga ang enerhiya sa microcosm gikuha ug gipadala dili sa bisan unsa nga gidaghanon, apan sa mga bahin, nga gitawag quanta. Niini nga basehan, gipatin-aw ni Max Planck ang kinaiyahan sa spectra sa radiation nga gipagawas sa mga gipainit nga mga lawas (1900), ug gipasabut ni Albert Einstein (1905) ang mga sekreto sa photoelectric nga epekto, nga mao, ang pagpagawas sa mga electron pinaagi sa nalamdagan nga mga metal (4).

5. Ang diffraction nga hulagway sa mga electron sa tantalum oxide nga kristal nagpakita sa simetriko nga istruktura niini (litrato: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Ang 28-anyos nga Danish nga pisiko nga si Niels Bohr nagpauswag sa modelo ni Rutherford sa atomo. Gisugyot niya nga ang mga electron molihok lamang sa mga orbit nga makatagbo sa piho nga kondisyon sa enerhiya. Dugang pa, ang mga electron dili mobuga ug radyasyon samtang sila molihok, ug ang enerhiya masuhop ug mabuga lamang sa dihang likayan tali sa mga orbit. Ang mga pangagpas misupak sa klasikal nga pisika, apan ang mga resulta nga nakuha sa ilang basehan (ang gidak-on sa atomo sa hydrogen ug ang gitas-on sa mga linya sa spectrum niini) nahimo nga nahiuyon sa eksperimento. bag-ong natawo modelo atomu.

Ikasubo, ang mga resulta balido lamang alang sa hydrogen atom (apan wala nagpatin-aw sa tanang spectral nga obserbasyon). Alang sa ubang mga elemento, ang mga resulta sa kalkulasyon dili katumbas sa kamatuoran. Busa, ang mga pisiko wala pay teoretikal nga modelo sa atomo.

Ang mga sekreto nagsugod sa pagkatin-aw human sa onse ka tuig. Ang doktoral nga disertasyon sa Pranses nga pisiko nga si Ludwick de Broglie nabalaka sa mga kinaiya sa balud sa mga partikulo sa materyal. Napamatud-an na nga ang kahayag, dugang sa tipikal nga mga kinaiya sa usa ka balud (diffraction, refraction), naglihok usab sama sa usa ka koleksyon sa mga partikulo - mga photon (pananglitan, pagkamaunat-unat nga pagbangga sa mga electron). Apan mga butang nga masa? Ang pangagpas ingon og usa ka damgo sa tubo alang sa prinsipe, kinsa gusto nga mahimong usa ka pisiko. Bisan pa, kaniadtong 1927, usa ka eksperimento ang gihimo nga nagpamatuod sa pangagpas ni de Broglie - usa ka sapa sa mga electron nga nabahin sa usa ka metal nga kristal (5).

Diin gikan ang mga atomo?

Sama sa uban: Big Bang. Nagtuo ang mga physicist nga literal sa usa ka tipik sa usa ka segundo gikan sa "zero point" nga mga proton, neutron ug mga electron, nga mao, ang mga sangkap nga atomo, naporma. Pipila ka minuto ang milabay (sa dihang ang uniberso mibugnaw ug ang densidad sa butang mikunhod), ang mga nucleon naghiusa, nga nahimong nuclei sa mga elemento gawas sa hydrogen. Ang kinadak-ang gidaghanon sa helium naporma, ingon man ang mga pagsubay sa mosunod nga tulo ka elemento. Pagkahuman lamang sa 100 XNUMX Sulod sa daghang mga tuig, ang mga kondisyon nagtugot sa mga electron nga magbugkos sa nuclei - ang una nga mga atomo naporma. Kinahanglan kong maghulat ug dugay alang sa sunod. Ang mga random nga pag-usab-usab sa densidad hinungdan sa pagporma sa mga densidad, nga, ingon nga kini nagpakita, nakadani sa dugang ug mas daghang butang. Sa wala madugay, diha sa kangitngit sa uniberso, ang unang mga bituon misidlak.

Pagligad sang mga isa ka bilyon ka tuig, ang iban sa ila nagsugod sa kamatayon. Sa ilang kurso sila nagpatungha nuclei sa mga atomo hangtod sa puthaw. Karon, samtang sila nangamatay, ilang gipakaylap sila sa tibuok rehiyon, ug ang bag-ong mga bitoon natawo gikan sa abo. Ang labing dako kanila adunay usa ka talagsaon nga katapusan. Panahon sa mga pagbuto sa supernova, ang nuclei gibombahan ug daghan kaayong partikulo nga bisan ang pinakabug-at nga mga elemento naporma. Gikan kanila ang bag-ong mga bituon, mga planeta, ug sa pipila ka mga globo - naporma ang kinabuhi.

Ang paglungtad sa mga balod sa butang napamatud-an. Sa laing bahin, ang usa ka electron sa usa ka atomo giisip nga usa ka nagbarog nga balud, tungod niini dili kini modan-ag sa enerhiya. Ang mga kinaiya sa balud sa naglihok nga mga electron gigamit sa paghimo sa mga mikroskopyo sa elektron, nga nagpaposible nga makita ang mga atomo sa unang higayon (6). Sa misunod nga mga tuig, ang buhat ni Werner Heisenberg ug Erwin Schrödinger (base sa hypothesis ni de Broglie) nagpaposible sa paghimo ug bag-ong modelo sa mga kabhang sa elektron sa atomo, nga bug-os nga gibase sa kasinatian. Apan kini mga pangutana nga lapas pa sa kasangkaran sa artikulo.

Natuman ang damgo sa mga alchemist

Ang natural nga radioactive nga mga pagbag-o, diin ang bag-ong mga elemento naporma, nahibal-an sukad sa katapusan sa ika-1919 nga siglo. Sa XNUMX, usa ka butang nga ang kinaiyahan lamang ang makahimo hangtod karon. Si Ernest Rutherford niining panahona nakigbahin sa interaksyon sa mga partikulo sa butang. Atol sa mga pagsulay, namatikdan niya nga ang mga proton nagpakita ingon usa ka sangputanan sa pag-irradiation sa nitrogen gas.

Ang bugtong katin-awan alang sa panghitabo mao ang reaksyon tali sa helium nuclei (usa ka partikulo ug ang nucleus sa usa ka isotope niini nga elemento) ug nitrogen (7). Ingon nga resulta, naporma ang oksiheno ug hydrogen (usa ka proton ang nucleus sa pinakagaan nga isotope). Ang damgo sa mga alchemist sa transmutation natuman. Sa misunod nga mga dekada, ang mga elemento gihimo nga dili makita sa kinaiyahan.

Ang natural nga radioactive nga mga pagpangandam nga nagpagawas ug a-particle dili na angay alang niini nga katuyoan (ang Coulomb barrier sa bug-at nga nuclei dako kaayo alang sa usa ka gaan nga partikulo nga makaduol kanila). Ang mga accelerator, nga naghatag ug dakong kusog sa nuclei sa bug-at nga isotopes, nahimong "alchemical furnaces", diin ang mga katigulangan sa mga chemist karon misulay sa pagkuha sa "hari sa mga metal" (8).

Sa pagkatinuod, komosta ang bulawan? Ang mga alchemist kanunay nga naggamit sa mercury isip hilaw nga materyales alang sa paghimo niini. Kinahanglan nga dawaton nga sa kini nga kaso sila adunay tinuod nga "ilong". Gikan kini sa mercury nga gitambalan sa mga neutron sa usa ka nukleyar nga reaktor nga unang nakuha ang artipisyal nga bulawan. Ang metal nga piraso gipakita niadtong 1955 sa Geneva Atomic Conference.

Fig. 6. Mga atomo sa nawong sa bulawan, makita sa hulagway sa usa ka scanning tunneling microscope.

7. Scheme sa unang transmutation sa tawo sa mga elemento

Ang balita sa kalamposan sa mga physicist nagpahinabog kadiyot nga kasamok sa mga pagbinayloay sa kalibotan, apan ang makahahadlok nga mga taho sa prensa gipanghimakak sa impormasyon bahin sa presyo sa ore nga gimina niining paagiha - kini sa makadaghang higayon mas mahal kay sa natural nga bulawan. Ang mga reaktor dili mopuli sa usa ka mahal nga metal nga minahan. Apan ang mga isotopes ug artipisyal nga mga elemento nga gihimo diha kanila (alang sa mga katuyoan sa medisina, kusog, siyentipikong panukiduki) mas bililhon pa kay sa bulawan.

8. Makasaysayanong cyclotron nga nag-synthesize sa unang pipila ka mga elemento human sa uranium sa periodic table (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, Agosto 1939)

Para sa mga magbabasa nga gustong mosusi sa mga isyu nga gipatungha sa teksto, akong girekomendar ang serye sa mga artikulo ni G. Tomasz Sowiński. Nagpakita sa "Batan-on nga Teknik" sa 2006-2010 (sa seksyon nga "Giunsa kini nadiskobrehan"). Ang mga teksto anaa usab sa website sa tagsulat sa: .

Siklo"Uban sa usa ka atomo sa mga katuigan» Nagsugod siya sa usa ka pahinumdom nga ang miaging siglo sagad gitawag nga edad sa atomo. Siyempre, dili mapakyas ang usa nga matikdan ang sukaranan nga mga nahimo sa mga physicist ug chemist sa ika-XNUMX nga siglo sa istruktura sa butang. Bisan pa, sa bag-ohay nga mga tuig, ang kahibalo bahin sa microcosm labi nga nagkalapad ug mas paspas, ang mga teknolohiya gipalambo nga nagtugot sa pagmaniobra sa indibidwal nga mga atomo ug molekula. Kini naghatag kanato sa katungod sa pag-ingon nga ang tinuod nga edad sa atomo wala pa moabut.