С атомом сквозь века – часть 3

Планетарная модель атома Резерфорда была ближе к реальности, чем «пудинг с изюмом» Томсона. Однако жизнь этого концепта продлилась всего два года, но прежде чем говорить о преемнике — пора разгадывать очередные атомные секреты.

1. Изотопы водорода: стабильный прот и дейтерий и радиоактивный тритий (фото: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

Атомная лавина

Открытие явления радиоактивности, положившее начало разгадке тайн атома, первоначально поставило под угрозу основу химии — закон периодичности. За короткое время было идентифицировано несколько десятков радиоактивных веществ. Одни из них обладали одинаковыми химическими свойствами, несмотря на разную атомную массу, а другие, при одинаковых массах, обладали разными свойствами. Более того, в той области таблицы Менделеева, где они должны были быть размещены из-за их веса, не хватило свободного места, чтобы разместить их всех. Периодическая таблица была потеряна из-за лавины открытий.

2. Реплика масс-спектрометра Дж. Дж. Томпсона 1911 года (фото: Джефф Даль / Wikimedia Commons)

Атомное ядро

Это 10-100 тысяч. раз меньше, чем весь атом. Если бы ядро ​​атома водорода увеличить до размеров мяча диаметром 1 см и поместить в центр футбольного поля, то электрон (меньше булавочной головки) оказался бы в окрестности гол (свыше 50 м).

Практически вся масса атома сосредоточена в ядре, например, для золота она составляет почти 99,98%. Представьте себе куб из этого металла весом 19,3 тонны. Все ядра атомов золото имеют общий объем менее 1/1000 мм3 (шар диаметром менее 0,1 мм). Следовательно, атом ужасно пуст. Читатели должны рассчитать плотность основного вещества.

Решение этой проблемы было найдено в 1910 году Фредериком Содди. Он ввел понятие изотопов, т.е. разновидностей одного и того же элемента, отличающихся своей атомной массой (1). Таким образом, он поставил под сомнение еще один постулат Дальтона — с этого момента химический элемент больше не должен состоять из атомов одинаковой массы. Изотопная гипотеза после экспериментального подтверждения (масс-спектрограф, 1911 г.) также позволила объяснить дробные значения атомных масс некоторых элементов – большинство из них представляют собой смеси многих изотопов, причем атомная масса является средневзвешенным значением масс всех из них (2).

Компоненты ядра

Другой ученик Резерфорда, Генри Мозли, в 1913 году изучал рентгеновские лучи, испускаемые известными элементами. В отличие от сложных оптических спектров, рентгеновский спектр очень прост — каждый элемент излучает только две волны, длины которых легко соотносятся с зарядом его атомного ядра.

3. Один из рентгеновских аппаратов, которыми пользовался Мозли (фото: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Это позволило впервые представить реальное количество существующих элементов, а также определить, сколько из них еще не хватает для заполнения пробелов в таблице Менделеева (3).

Частица-носитель положительного заряда называется протоном (греч. протон = первый). Сразу возникла другая проблема. Масса протона примерно равна 1 ед. Тогда как атомное ядро натрий при заряде 11 единиц имеет массу 23 ед? То же самое, конечно, и в случае с другими элементами. Значит, должны быть и другие частицы, присутствующие в ядре и не имеющие заряда. Первоначально физики предполагали, что это прочно связанные протоны с электронами, но в итоге было доказано, что появилась новая частица – нейтрон (лат. neuter = нейтральный). Открытие этой элементарной частицы (так называются основные «кирпичики», из которых состоит вся материя) было сделано в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком.

Протоны и нейтроны могут превращаться друг в друга. Физики предполагают, что они являются формами частицы, называемой нуклоном (латинское ядро ​​= ядро).

Поскольку ядром простейшего изотопа водорода является протон, видно, что Уильям Праут в своей «водородной» гипотезе конструкция атома он не слишком ошибался (см.: “С атомом сквозь века – часть 2”; “Юный техник” №8/2015). Первоначально были даже колебания между названиями протон и «проутон».

4. Фотоэлементы на финише — в основе их работы лежит фотоэффект (фото: Ies/Wikimedia Commons)

Не все разрешено

Модель Резерфорда на момент своего появления имела «врожденный дефект». Согласно законам электродинамики Максвелла (подтвержденным уже функционировавшим в то время радиовещанием), электрон, движущийся по окружности, должен излучать электромагнитную волну.

Таким образом, он теряет энергию, в результате чего падает на ядро. В нормальных условиях атомы не излучают (спектры формируются при нагреве до высоких температур) и не наблюдаются атомные катастрофы (расчетное время жизни электрона меньше одной миллионной секунды).

Модель Резерфорда объясняла результат эксперимента по рассеянию частиц, но все же не соответствовала действительности.

В 1913 году люди «привыкли» к тому, что энергия в микромире берется и посылается не в любом количестве, а порциями, называемыми квантами. На этой основе Макс Планк объяснил природу спектров излучения, испускаемого нагретыми телами (1900 г.), а Альберт Эйнштейн (1905 г.) — тайны фотоэффекта, т. е. испускания электронов освещенными металлами (4).

5. Дифракционное изображение электронов на кристалле оксида тантала показывает его симметричную структуру (фото: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-летний датский физик Нильс Бор усовершенствовал модель атома Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся только по орбитам, отвечающим определенным энергетическим условиям. Кроме того, электроны не излучают излучение при движении, а энергия поглощается и излучается только при шунтировании между орбитами. Предположения противоречили классической физике, но полученные на их основе результаты (размер атома водорода и длина линий его спектра) оказались согласующимися с экспериментом. Родился новый model atomu.

К сожалению, результаты были справедливы только для атома водорода (но не объясняли все спектральные наблюдения). По остальным элементам результаты расчетов не соответствовали действительности. Таким образом, у физиков еще не было теоретической модели атома.

Тайны начали проясняться через одиннадцать лет. Докторская диссертация французского физика Людвика де Бройля касалась волновых свойств материальных частиц. Уже доказано, что свет, помимо типичных характеристик волны (дифракция, преломление), ведет себя также как совокупность частиц – фотонов (например, упругие столкновения с электронами). Но массовые объекты? Предположение казалось несбыточной мечтой принца, который хотел стать физиком. Однако в 1927 г. был проведен эксперимент, подтвердивший гипотезу де Бройля – поток электронов дифрагировал на металлическом кристалле (5).

Откуда взялись атомы?

Как и все: Большой взрыв. Физики считают, что буквально за доли секунды от «нулевой точки» образовались протоны, нейтроны и электроны, то есть составляющие атомы. Через несколько минут (когда Вселенная остыла и плотность материи уменьшилась), нуклоны слились вместе, образовав ядра элементов, отличных от водорода. Образовалось наибольшее количество гелия, а также следы следующих трех элементов. Только после 100 XNUMX В течение многих лет условия позволяли связывать электроны с ядрами — были сформированы первые атомы. Пришлось долго ждать следующих. Случайные флуктуации плотности вызывали образование плотностей, которые, появляясь, притягивали все больше и больше материи. Вскоре во мраке Вселенной вспыхнули первые звезды.

Примерно через миллиард лет некоторые из них начали умирать. В своем ходе они произвели ядра атомов вплоть до железа. Теперь, когда они умирали, они распространяли их по всему региону, и из пепла рождались новые звезды. Самые массивные из них имели эффектный конец. Во время взрывов сверхновых ядра бомбардировались таким количеством частиц, что образовывались даже самые тяжелые элементы. Из них образовались новые звезды, планеты, а на некоторых глобусах – жизнь.

Доказано существование волн материи. С другой стороны, электрон в атоме рассматривался как стоячая волна, благодаря которой он не излучает энергию. Волновые свойства движущихся электронов были использованы для создания электронных микроскопов, что позволило впервые увидеть атомы (6). В последующие годы работы Вернера Гейзенберга и Эрвина Шредингера (на основе гипотезы де Бройля) позволили разработать новую, полностью основанную на опыте модель электронных оболочек атома. Но это вопросы, выходящие за рамки статьи.

Мечта алхимиков сбылась

Естественные радиоактивные превращения, при которых образуются новые элементы, известны с конца 1919 века. В XNUMX году то, на что до сих пор была способна только природа. Эрнест Резерфорд в этот период занимался взаимодействием частиц с веществом. Во время испытаний он заметил, что протоны появлялись в результате облучения газообразным азотом.

Единственным объяснением явления была реакция между ядрами гелия (частица и ядро ​​изотопа этого элемента) и азотом (7). В результате образуются кислород и водород (протон — ядро ​​самого легкого изотопа). Мечта алхимиков о трансмутации сбылась. В последующие десятилетия были произведены элементы, которые не встречаются в природе.

Природные радиоактивные препараты, испускающие а-частицы, уже не годились для этой цели (кулоновский барьер тяжелых ядер слишком велик, чтобы к ним могла приблизиться легкая частица). Ускорители, сообщающие ядрам тяжелых изотопов огромную энергию, оказались «алхимическими печами», в которых предки нынешних химиков пытались получить «царя металлов» (8).

Собственно, а как же золото? В качестве сырья для его производства алхимики чаще всего использовали ртуть. Надо признать, что в данном случае у них был самый настоящий «нос». Именно из ртути, обработанной нейтронами в ядерном реакторе, впервые было получено искусственное золото. Металлический кусок был показан в 1955 году на Женевской атомной конференции.

6. Атомы на поверхности золота, видимые на изображении в сканирующем туннельном микроскопе.

7. Схема первой человеческой трансмутации элементов

Известие о достижении физиков даже вызвало недолгий ажиотаж на мировых биржах, но сенсационные сообщения прессы были опровергнуты информацией о цене добытой таким образом руды – она ​​во много раз дороже природного золота. Реакторы не заменят шахту драгоценного металла. Но производимые в них изотопы и искусственные элементы (для целей медицины, энергетики, научных исследований) гораздо ценнее золота.

8. Исторический циклотрон, синтезирующий первые несколько элементов после урана в периодической таблице (Радиационная лаборатория Лоуренса Калифорнийского университета, Беркли, август 1939 г.)

Читателям, которые хотели бы изучить вопросы, затронутые в тексте, я рекомендую серию статей г-на Томаша Совиньского. Появлялась в “Юном Технике” в 2006-2010 годах (в рубрике “Как открыли”). Тексты также доступны на сайте автора по адресу: .

Цикл “С атомом на века» Начал с напоминания о том, что минувший век часто называли веком атома. Конечно, нельзя не отметить фундаментальные достижения физиков и химиков XNUMX века в строении материи. Однако в последние годы знания о микромире расширяются все быстрее и быстрее, разрабатываются технологии, позволяющие манипулировать отдельными атомами и молекулами. Это дает нам право сказать, что настоящий век атома еще не наступил.