Kanthi atom liwat abad - bagean 3

Model planet atom Rutherford luwih cedhak karo kasunyatan tinimbang "puding kismis" Thomson. Nanging, urip konsep iki mung rong taun, nanging sadurunge ngomong bab penerus, iku wektu kanggo unravel rahasia atom sabanjuré.

1. Isotop hidrogen: prot stabil lan deuterium lan tritium radioaktif (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

longsor nuklir

Panemuan fenomena radioaktivitas, sing menehi tandha wiwitan mbukak misteri atom, wiwitane ngancam basis kimia - hukum periodisitas. Ing wektu cendhak, sawetara rolas zat radioaktif diidentifikasi. Sawetara wong nduweni sifat kimia sing padha, sanajan massa atom beda, dene liyane, kanthi massa sing padha, nduweni sifat sing beda. Kajaba iku, ing area tabel périodik sing kudu diselehake amarga bobote, ora ana papan sing cukup kanggo nampung kabeh. Tabel périodik ilang amarga longsoran panemuan.

2. Replika spektrometer massa J.J. Thompson 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Inti atom

Iki 10-100 ewu. kaping luwih cilik tinimbang kabeh atom. Yen inti atom hidrogen digedhekake nganti ukuran bal kanthi diameter 1 cm lan dilebokake ing tengah lapangan bal, banjur elektron (luwih cilik tinimbang pinhead) bakal ana ing sacedhake gawang. (luwih saka 50 m).

Meh kabeh massa atom klempakan ing inti, contone, kanggo emas iku meh 99,98%. Mbayangno kubus logam iki bobote 19,3 ton. Kabeh inti atom emas duwe volume total kurang saka 1/1000 mm3 (bal kanthi diameter kurang saka 0,1 mm). Mulane, atom banget kosong. Pembaca kudu ngetung kapadhetan bahan dhasar.

Solusi kanggo masalah iki ditemokake ing taun 1910 dening Frederick Soddy. Dheweke ngenalake konsep isotop, yaiku. varieties saka unsur padha sing beda-beda ing massa atom (1). Mangkono, dheweke njaluk pitakonan liyane postulat Dalton - wiwit wektu iku, unsur kimia ngirim ora ana maneh saka atom saka massa padha. Hipotesis isotopik, sawise konfirmasi eksperimen (spektrograf massa, 1911), uga bisa njlentrehake nilai pecahan saka massa atom saka sawetara unsur - sing paling akeh yaiku campuran saka pirang-pirang isotop, lan massa atom yaiku rata-rata bobot saka massa kabeh (2).

Komponen Kernel

Siswa Rutherford liyane, Henry Moseley, nyinaoni sinar-X sing dipancarake dening unsur-unsur sing dikenal ing taun 1913. Boten kados spektrum optik komplèks, spektrum sinar-X prasaja sanget - saben unsur namung mancaraken kalih panjang gelombang, panjang gelombang ingkang gampil dipungayutaken kaliyan muatan inti atomipun.

3. Salah sawijining mesin sinar-X sing digunakake Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Iki ndadekake iku bisa kanggo pisanan kanggo saiki nomer nyata saka unsur ana, uga kanggo nemtokake carane akeh sing isih ora cukup kanggo ngisi longkangan ing tabel périodik (3).

Partikel sing mawa muatan positif diarani proton (proton Yunani = pisanan). Masalah liyane langsung muncul. Massa proton kira-kira padha karo 1 unit. Dene inti atom natrium kanthi muatan 11 unit nduweni massa 23 unit? Sing padha, mesthi, kasus karo unsur liyane. Iki tegese kudu ana partikel liyane sing ana ing inti lan ora duwe muatan. Kaping pisanan, fisikawan nganggep manawa iki minangka proton sing kaiket banget karo elektron, nanging pungkasane dibuktekake yen ana partikel anyar - neutron (Latin neuter = netral). Panemon partikel dhasar iki (sing diarani "bata" dhasar sing mbentuk kabeh materi) digawe ing taun 1932 dening fisikawan Inggris James Chadwick.

Proton lan neutron bisa dadi siji liyane. Fisikawan ngira-ngira iku wujud partikel sing diarani nukleon (nukleus Latin = nukleus).

Wiwit inti saka isotop hidrogen sing paling gampang yaiku proton, bisa dideleng yen William Prout ing hipotesis "hidrogen" dheweke. konstruksi atom dheweke ora salah banget (ndeleng: "Kanthi atom liwat abad - bagean 2"; "Teknisi Muda" No. 8/2015). Wiwitane, malah ana fluktuasi antarane jeneng proton lan "proton".

4. Photocells ing finish - dhasar karyane yaiku efek fotolistrik (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Ora kabeh diijini

Model Rutherford nalika katon ana "cacat bawaan". Miturut hukum elektrodinamika Maxwell (dikonfirmasi dening penyiaran radio sing wis digunakake ing wektu iku), sawijining elektron sing obah ing bunder kudu mancarake gelombang elektromagnetik.

Mangkono, kelangan energi, minangka asil tiba ing inti. Ing kahanan normal, atom ora radiate (spektra dibentuk nalika dipanasake nganti temperatur dhuwur) lan bencana atom ora diamati (kira-kira umur elektron kurang saka sepersejuta detik).

Model Rutherford nerangake asil eksperimen panyebaran partikel, nanging tetep ora cocog karo kasunyatan.

Ing taun 1913, wong "wis digunakake" kanggo kasunyatan sing energi ing microcosm dijupuk lan dikirim ora ing jumlah sembarang, nanging ing bagean, disebut quanta. Ing basis iki, Max Planck nerangake sifat spektrum radiasi sing dipancarake dening badan sing digawe panas (1900), lan Albert Einstein (1905) rahasia efek fotoelektrik, yaiku, emisi elektron dening logam sing disinari (4).

5. Gambar difraksi elektron ing kristal tantalum oksida nuduhake struktur simetris (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Fisikawan Denmark Niels Bohr, 28 taun, ningkatake model atom Rutherford. Dheweke ngusulake yen elektron mung pindhah ing orbit sing ketemu kondisi energi tartamtu. Kajaba iku, èlèktron ora ngetokake radiasi nalika obah, lan energi mung diserap lan dipancarake nalika dipindhah ing antarane orbit. Asumsi kasebut mbantah fisika klasik, nanging asil sing dipikolehi adhedhasar (ukuran atom hidrogen lan dawa garis spektrum) dadi konsisten karo eksperimen kasebut. anyar lair model atom.

Sayange, asil mung sah kanggo atom hidrogen (nanging ora nerangake kabeh pengamatan spektral). Kanggo unsur liyane, asil pitungan ora cocog karo kasunyatan. Dadi, fisikawan durung duwe model teoritis atom.

Misteri wiwit cetha sawise sewelas taun. Disertasi doktoral saka fisikawan Prancis Ludwik de Broglie ngurusi sifat gelombang partikel materi. Wis dibuktekake manawa cahya, saliyane karakteristik khas gelombang (difraksi, refraksi), uga tumindak kaya kumpulan partikel - foton (contone, tabrakan elastis karo elektron). Nanging obyek massa? Saran kasebut kaya ngimpi pipa kanggo pangeran sing kepengin dadi fisikawan. Nanging, ing taun 1927 ana eksperimen sing ngonfirmasi hipotesis de Broglie - sinar elektron difraksi ing kristal logam (5).

Saka ngendi asale atom?

Kaya wong liya: Big Bang. Fisikawan percaya yen secara harfiah ing bagian sekedhik saka "titik nul" proton, neutron lan elektron, yaiku, atom-atom konstituen, dibentuk. Sawetara menit sabanjure (nalika alam semesta adhem lan kapadhetan materi suda), nukleon kasebut gabung, mbentuk inti unsur saliyane hidrogen. Jumlah paling gedhé saka helium iki kawangun, uga tilak saka telung unsur ing ngisor iki. Mung sawise 100 XNUMX Nganti pirang-pirang taun, kahanan ngidini elektron ngiket inti - atom pisanan dibentuk. Aku kudu ngenteni suwe kanggo sabanjure. Fluktuasi acak ing Kapadhetan nyebabake pambentukan kepadatan, sing, nalika katon, narik kawigaten liyane lan liyane. Ora let suwe, ing pepeteng jagad raya, lintang-lintang sing kapisan sumunar.

Sawise kira-kira milyar taun, sawetara wong wiwit mati. Ing Course padha diprodhuksi inti atom mudhun kanggo wesi. Saiki, nalika padha mati, padha nyebar ing saindhenging wilayah, lan lintang anyar lair saka awu. Paling massive saka wong-wong mau duwe mburi spektakuler. Sajrone bledosan supernova, inti dibombardir karo akeh partikel sing malah unsur paling abot kawangun. Padha mbentuk lintang anyar, planet, lan ing sawetara globe - urip.

Anane ombak materi wis kabukten. Ing sisih liya, elektron ing atom dianggep minangka gelombang ngadeg, amarga ora ngetokake energi. Sifat gelombang elektron obah digunakake kanggo nggawe mikroskop elektron, sing ndadekake bisa ndeleng atom kanggo pisanan (6). Ing taun-taun salajengipun, karya Werner Heisenberg lan Erwin Schrödinger (miturut hipotesis de Broglie) ndadosaken modhèl énggal saking cangkang èlèktron atom, ingkang adhedhasar pengalaman. Nanging iki pitakonan ngluwihi orane katrangan saka artikel.

Impen para alkemis dadi nyata

Transformasi radioaktif alam, ing ngendi unsur anyar dibentuk, wis dikenal wiwit pungkasan abad 1919. Ing XNUMX, ana sing mung alam sing bisa ditindakake nganti saiki. Ernest Rutherford sajrone wektu iki melu interaksi partikel karo materi. Sajrone tes kasebut, dheweke ngerteni manawa proton muncul minangka asil iradiasi karo gas nitrogen.

Panjelasan mung kanggo fenomena iki yaiku reaksi antara inti helium (partikel lan inti isotop unsur iki) lan nitrogen (7). Akibaté, oksigen lan hidrogen kawangun (proton minangka inti saka isotop paling entheng). Impen para alkemis babagan transmutasi wis kelakon. Ing dekade sabanjure, unsur diprodhuksi sing ora ditemokake ing alam.

Preparasi radioaktif alam sing ngetokake partikel-a ora cocok maneh kanggo tujuan iki (halangan Coulomb saka inti abot gedhe banget kanggo partikel cahya nyedhaki). Akselerator, menehi energi gedhe banget menyang inti isotop abot, dadi "tungku alkimia" ing ngendi para leluhur ahli kimia saiki nyoba entuk "raja logam" (8).

Bener, kepiye babagan emas? Alkemis paling kerep nggunakake merkuri minangka bahan mentah kanggo produksi. Sampeyan kudu ngakoni yen ing kasus iki padha duwe "irung" nyata. Iki asale saka merkuri sing diolah karo neutron ing reaktor nuklir sing pisanan dipikolehi emas buatan. Potongan logam kasebut ditampilake ing 1955 ing Konferensi Atom Jenewa.

Fig. 6. Atom ing lumahing emas, katon ing gambar ing scanning tunneling mikroskop.

7. Skema transmutasi manungsa pisanan saka unsur

Kabar babagan prestasi fisikawan malah nyebabake geger ing bursa saham donya, nanging laporan pers sensasional dibantah kanthi informasi babagan rega bijih sing ditambang kanthi cara iki - kaping pirang-pirang luwih larang tinimbang emas alam. Reaktor ora bakal ngganti tambang logam mulia. Nanging isotop lan unsur Ponggawa diprodhuksi ing wong (kanggo tujuan medicine, energi, riset ilmiah) luwih larang tinimbang emas.

8. Siklotron historis nyintesis sawetara unsur pisanan sawisé uranium ing tabel périodik (Laboratorium Radiasi Lawrence, Universitas California, Berkeley, Agustus 1939)

Kanggo para pamaca sing pengin njelajah masalah sing diangkat ing teks kasebut, aku nyaranake seri artikel dening Pak Tomasz Sowiński. Muncul ing "Teknik Muda" ing 2006-2010 (ing judhul "Carane ditemokaké"). Teks uga kasedhiya ing situs web penulis ing:.

Sepeda; Pit; ontel "Kanthi atom kanggo umur» Dheweke miwiti kanthi ngelingake yen abad kepungkur asring diarani umur atom. Mesthine, siji ora bisa gagal nyathet prestasi dhasar fisikawan lan kimiawan abad kaping XNUMX ing struktur materi. Nanging, ing taun-taun pungkasan, kawruh babagan mikrokosmos saya tambah cepet lan luwih cepet, teknologi dikembangake sing ngidini manipulasi atom lan molekul individu. Iki menehi hak kanggo ngomong sing umur nyata saka atom durung teka.