Na atomi kwa vizazi - sehemu ya 3

Kielelezo cha sayari cha Rutherford cha atomi kilikuwa karibu na ukweli kuliko "pudding ya zabibu" ya Thomson. Walakini, maisha ya wazo hili yalidumu miaka miwili tu, lakini kabla ya kuzungumza juu ya mrithi, ni wakati wa kufunua siri zinazofuata za atomiki.

1. Isotopu za haidrojeni: proti thabiti na deuterium na tritium ya mionzi (picha: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

Banguko la nyuklia

Ugunduzi wa uzushi wa radioactivity, ambayo ilionyesha mwanzo wa kufunua siri za atomi, hapo awali ilitishia msingi wa kemia - sheria ya upimaji. Kwa muda mfupi, dutu kadhaa za mionzi ziligunduliwa. Baadhi yao walikuwa na mali sawa ya kemikali, licha ya wingi tofauti wa atomiki, wakati wengine, na raia sawa, walikuwa na mali tofauti. Kwa kuongezea, katika eneo la meza ya mara kwa mara ambapo walipaswa kuwekwa kwa sababu ya uzito wao, hapakuwa na nafasi ya kutosha ya kuwachukua wote. Jedwali la mara kwa mara lilipotea kwa sababu ya uvumbuzi mwingi.

2. Replica ya J.J. Thompson's mass spectrometer ya 1911 (picha: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

kiini cha atomiki

Hii ni 10-100 elfu. mara ndogo kuliko atomi nzima. Ikiwa kiini cha atomi ya hidrojeni kingepanuliwa hadi saizi ya mpira na kipenyo cha cm 1 na kuwekwa katikati ya uwanja wa mpira, basi elektroni (ndogo kuliko kichwa cha pini) ingekuwa karibu na lengo. (zaidi ya mita 50).

Karibu molekuli nzima ya atomi imejilimbikizia kwenye kiini, kwa mfano, kwa dhahabu ni karibu 99,98%. Hebu fikiria mchemraba wa chuma hiki wenye uzito wa tani 19,3. Kila kitu viini vya atomi dhahabu ina jumla ya kiasi cha chini ya 1/1000 mm3 (mpira yenye kipenyo cha chini ya 0,1 mm). Kwa hiyo, atomi ni tupu sana. Wasomaji lazima wahesabu wiani wa nyenzo za msingi.

Suluhisho la tatizo hili lilipatikana mwaka wa 1910 na Frederick Soddy. Alianzisha dhana ya isotopu, i.e. aina za kipengele sawa ambacho hutofautiana katika wingi wao wa atomiki (1). Kwa hivyo, aliuliza swali lingine la Dalton - kutoka wakati huo na kuendelea, kipengele cha kemikali haipaswi kuwa na atomi za molekuli sawa. Nadharia ya isotopiki, baada ya uthibitisho wa majaribio (spectrograph ya wingi, 1911), pia ilifanya iwezekane kuelezea maadili ya sehemu ya misa ya atomiki ya vitu vingine - nyingi ni mchanganyiko wa isotopu nyingi, na. wingi wa atomiki ni wastani wa uzani wa umati wao wote (2).

Vipengele vya Kernel

Mwanafunzi mwingine wa Rutherford, Henry Moseley, alisoma eksirei iliyotolewa na vipengele vinavyojulikana mwaka wa 1913. Tofauti na taswira tata ya macho, wigo wa X-ray ni rahisi sana - kila kipengele hutoa wavelengths mbili tu, urefu wa wavelengths ambao unahusiana kwa urahisi na malipo ya kiini chake cha atomiki.

3. Moja ya mashine za X-ray zinazotumiwa na Moseley (picha: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Hii ilifanya iwezekane kwa mara ya kwanza kuwasilisha idadi halisi ya vitu vilivyopo, na pia kuamua ni ngapi kati yao bado haitoshi kujaza mapengo kwenye jedwali la upimaji (3).

Chembe inayobeba chaji chanya inaitwa protoni (protoni ya Kigiriki = kwanza). Tatizo jingine likatokea mara moja. Uzito wa protoni ni takriban sawa na kitengo 1. Ambapo kiini cha atomiki sodiamu yenye malipo ya vitengo 11 ina wingi wa vitengo 23? Vile vile, bila shaka, ni kesi na vipengele vingine. Hii ina maana kwamba lazima kuwe na chembe nyingine katika kiini na kutokuwa na chaji. Hapo awali, wanafizikia walidhani kwamba hizi zilikuwa protoni zilizofungwa sana na elektroni, lakini mwishowe ilithibitishwa kuwa chembe mpya ilionekana - neutron (Kilatini neuter = neutral). Ugunduzi wa chembe hii ya msingi (kinachojulikana kama "matofali" ya msingi ambayo hufanya vitu vyote) ulifanywa mnamo 1932 na mwanafizikia wa Kiingereza James Chadwick.

Protoni na neutroni zinaweza kugeuka kuwa kila mmoja. Wanafizikia wanakisia kwamba ni aina za chembe iitwayo nucleon (Kilatini nucleus = nucleus).

Kwa kuwa kiini cha isotopu rahisi zaidi ya hidrojeni ni protoni, inaweza kuonekana kuwa William Prout katika nadharia yake ya "hidrojeni". ujenzi wa atomi hakuwa na makosa sana (tazama: "Pamoja na atomi kwa enzi - sehemu ya 2"; "Fundi Kijana" No. 8/2015). Hapo awali, kulikuwa na mabadiliko hata kati ya majina ya protoni na "protoni".

4. Seli za picha mwishoni - msingi wa kazi yao ni athari ya picha (picha: Ies / Wikimedia Commons)

Sio kila kitu kinaruhusiwa

Mfano wa Rutherford wakati wa kuonekana kwake ulikuwa na "kasoro ya kuzaliwa". Kwa mujibu wa sheria za Maxwell za electrodynamics (zilizothibitishwa na utangazaji wa redio tayari kufanya kazi wakati huo), elektroni inayotembea kwenye mduara inapaswa kuangaza wimbi la umeme.

Kwa hivyo, hupoteza nishati, kama matokeo ambayo huanguka kwenye kiini. Katika hali ya kawaida, atomi hazitoi (spectra huundwa wakati joto hadi joto la juu) na majanga ya atomiki hayazingatiwi (muda unaokadiriwa wa elektroni ni chini ya milioni moja ya sekunde).

Mtindo wa Rutherford ulielezea matokeo ya jaribio la kutawanya chembe, lakini bado haukuendana na ukweli.

Mnamo 1913, watu "walizoea" ukweli kwamba nishati katika microcosm inachukuliwa na kutumwa si kwa kiasi chochote, lakini kwa sehemu, inayoitwa quanta. Kwa msingi huu, Max Planck alielezea asili ya mionzi ya mionzi iliyotolewa na miili yenye joto (1900), na Albert Einstein (1905) alielezea siri za athari za picha, yaani, utoaji wa elektroni na metali zilizoangazwa (4).

5. Picha ya mgawanyiko wa elektroni kwenye kioo cha oksidi ya tantalum inaonyesha muundo wake wa ulinganifu (picha: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Mwanafizikia wa Denmark mwenye umri wa miaka 28 Niels Bohr aliboresha kielelezo cha Rutherford cha atomi. Alipendekeza kwamba elektroni zisogee tu katika obiti zinazokidhi hali fulani za nishati. Kwa kuongezea, elektroni hazitoi mionzi zinaposonga, na nishati inafyonzwa na kutolewa tu inaposhushwa kati ya obiti. Mawazo hayo yalipingana na fizikia ya kitambo, lakini matokeo yaliyopatikana kwa msingi wao (ukubwa wa atomi ya hidrojeni na urefu wa mistari ya wigo wake) yalibadilika kuwa sawa na jaribio. mzaliwa mpya atomu ya mfano.

Kwa bahati mbaya, matokeo yalikuwa halali tu kwa atomi ya hidrojeni (lakini haikuelezea uchunguzi wote wa spectral). Kwa vipengele vingine, matokeo ya hesabu hayakufanana na ukweli. Kwa hivyo, wanafizikia bado hawakuwa na mfano wa kinadharia wa atomi.

Siri zilianza kufichuka baada ya miaka kumi na moja. Tasnifu ya udaktari ya mwanafizikia Mfaransa Ludwik de Broglie ilishughulikia sifa za wimbi la chembe za nyenzo. Tayari imethibitishwa kuwa mwanga, pamoja na sifa za kawaida za wimbi (diffraction, refraction), pia hufanya kama mkusanyiko wa chembe - fotoni (kwa mfano, migongano ya elastic na elektroni). Lakini vitu vya molekuli? Pendekezo hilo lilionekana kama ndoto kwa mkuu ambaye alitaka kuwa mwanafizikia. Walakini, mnamo 1927 jaribio lilifanyika ambalo lilithibitisha nadharia ya de Broglie - boriti ya elektroni ilitofautiana kwenye fuwele ya chuma (5).

Atomu zilitoka wapi?

Kama kila mtu mwingine: Big Bang. Wanafizikia wanaamini kwamba kihalisi katika sehemu ya sekunde kutoka kwa "zero point" protoni, neutroni na elektroni, ambayo ni, atomi za msingi, ziliundwa. Dakika chache baadaye (ulimwengu ulipopoa na msongamano wa maada ulipungua), viini viliunganishwa pamoja, na kutengeneza viini vya vipengele vingine zaidi ya hidrojeni. Kiasi kikubwa cha heliamu kiliundwa, pamoja na athari za mambo matatu yafuatayo. Tu baada ya 100 XNUMX Kwa miaka mingi, hali ziliruhusu elektroni kushikamana na nuclei - atomi za kwanza ziliundwa. Ilinibidi kusubiri kwa muda mrefu kwa ijayo. Mabadiliko ya nasibu ya msongamano yalisababisha uundaji wa msongamano, ambao, kama walivyoonekana, ulivutia zaidi na zaidi jambo. Punde, katika giza la ulimwengu, nyota za kwanza ziliwaka.

Baada ya miaka bilioni moja hivi, baadhi yao walianza kufa. Katika mwendo wao walizalisha viini vya atomi chini ya chuma. Sasa, walipokufa, walieneza katika eneo lote, na nyota mpya zilizaliwa kutoka kwenye majivu. Kubwa zaidi kati yao kulikuwa na mwisho wa kuvutia. Wakati wa milipuko ya supernova, viini vilipigwa na chembe nyingi sana hivi kwamba hata vipengele vizito zaidi viliundwa. Waliunda nyota mpya, sayari, na kwenye ulimwengu fulani - maisha.

Uwepo wa mawimbi ya suala umethibitishwa. Kwa upande mwingine, elektroni katika atomi ilizingatiwa kama wimbi lililosimama, kwa sababu ambayo haitoi nishati. Sifa za mawimbi ya elektroni zinazosonga zilitumiwa kuunda darubini ya elektroni, ambayo ilifanya iwezekane kuona atomi kwa mara ya kwanza (6). Katika miaka iliyofuata, kazi ya Werner Heisenberg na Erwin Schrödinger (kwa msingi wa nadharia ya de Broglie) ilifanya iwezekane kukuza mtindo mpya wa makombora ya elektroni ya atomi, kulingana na uzoefu. Lakini haya ni maswali zaidi ya upeo wa makala.

Ndoto ya wataalam wa alchem ​​ilitimia

Mabadiliko ya asili ya mionzi, ambayo vipengele vipya huundwa, yamejulikana tangu mwisho wa karne ya 1919. Mnamo XNUMX, kitu ambacho asili pekee imekuwa na uwezo hadi sasa. Ernest Rutherford katika kipindi hiki alihusika katika mwingiliano wa chembe na maada. Wakati wa vipimo, aligundua kuwa protoni zilionekana kama matokeo ya kuwashwa na gesi ya nitrojeni.

Maelezo pekee ya jambo hilo ilikuwa mmenyuko kati ya nuclei ya heliamu (chembe na kiini cha isotopu ya kipengele hiki) na nitrojeni (7). Matokeo yake, oksijeni na hidrojeni huundwa (protoni ni kiini cha isotopu nyepesi zaidi). Ndoto ya wataalam wa alchem ​​ya kubadilisha mabadiliko imetimia. Katika miongo iliyofuata, vipengele vilitolewa ambavyo havipatikani katika asili.

Maandalizi ya asili ya mionzi yanayotoa a-chembe hayakufaa tena kwa kusudi hili (kizuizi cha Coulomb cha nuclei nzito ni kubwa sana kwa chembe nyepesi kukaribia). Vichochezi, vikitoa nishati kubwa kwa viini vya isotopu nzito, viligeuka kuwa "tanuu za alchemical", ambazo mababu wa wanakemia wa leo walijaribu kupata "mfalme wa metali" (8).

Kweli, vipi kuhusu dhahabu? Wataalamu wa alchem ​​mara nyingi walitumia zebaki kama malighafi kwa utengenezaji wake. Ni lazima kukiri kwamba katika kesi hii walikuwa na "pua" halisi. Ilikuwa ni kutoka kwa zebaki iliyotibiwa na nyutroni kwenye kinu cha nyuklia ndipo dhahabu ya bandia ilipatikana kwanza. Kipande cha chuma kilionyeshwa mnamo 1955 kwenye Mkutano wa Atomiki wa Geneva.

Mtini. 6. Atomi juu ya uso wa dhahabu, inayoonekana katika picha katika darubini tunneling skanning.

7. Mpango wa mabadiliko ya kwanza ya binadamu ya vipengele

Habari za kufanikiwa kwa wanafizikia hata zilisababisha mshtuko mfupi kwenye soko la hisa la ulimwengu, lakini ripoti za vyombo vya habari vya kuvutia zilikanushwa na habari kuhusu bei ya madini yaliyochimbwa kwa njia hii - ni ghali mara nyingi zaidi kuliko dhahabu asilia. Reactor hazitachukua nafasi ya mgodi wa madini ya thamani. Lakini isotopu na vipengele vya bandia vinavyozalishwa ndani yao (kwa madhumuni ya dawa, nishati, utafiti wa kisayansi) ni muhimu zaidi kuliko dhahabu.

8. Saiklotroni ya kihistoria kuunganisha vipengele vichache vya kwanza baada ya uranium katika jedwali la upimaji (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, August 1939)

Kwa wasomaji ambao wangependa kuchunguza masuala yaliyotolewa katika maandishi, ninapendekeza mfululizo wa makala na Mheshimiwa Tomasz Sowiński. Alionekana katika "Technics Young" mwaka 2006-2010 (chini ya kichwa "Jinsi walivyogundua"). Maandishi hayo pia yanapatikana kwenye tovuti ya mwandishi kwa:.

Mzunguko"Na atomi kwa miaka mingi» Alianza kwa kukumbusha kwamba karne iliyopita mara nyingi iliitwa enzi ya atomu. Kwa kweli, mtu hawezi kushindwa kutambua mafanikio ya kimsingi ya wanafizikia na wanakemia wa karne ya XNUMX katika muundo wa suala. Walakini, katika miaka ya hivi karibuni, maarifa juu ya microcosm yanakua haraka na haraka, teknolojia zinatengenezwa ambazo huruhusu kudhibiti atomi na molekuli za mtu binafsi. Hii inatupa haki ya kusema kwamba umri halisi wa atomi bado haujafika.