Бо атом дар тӯли асрҳо - қисми 3

Модели сайёраи атомии Резерфорд назар ба «пудинги мавиз»-и Томсон ба воқеият наздиктар буд. Бо вуҷуди ин, ҳаёти ин консепсия ҳамагӣ ду сол тӯл кашид, аммо пеш аз он ки дар бораи ворисон сухан гӯем, вақти он расидааст, ки асрори навбатии атомиро кушоем.

1. Изотопҳои гидроген: противаи устувор ва дейтерий ва тритиуми радиоактивӣ (акс: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

тармаи ядрой

Кашфи ходисаи радиоактивй, ки ба кушодани асрори атом ибтидо гузошт, дар аввал ба асоси химия — конуни даврагй тахдид мекард. Дар як муддати кутод чандин дазор моддадои радиоактивй муайян карда шуданд. Баъзеи онҳо сарфи назар аз массаи атомии гуногун хосиятҳои кимиёвии якхела доштанд, дигарон бошанд, бо як масса хосиятҳои гуногун доштанд. Ғайр аз он, дар майдони ҷадвали даврӣ, ки онҳо бояд аз сабаби вазни худ ҷойгир карда мешуданд, барои ҷойгир кардани ҳама фазои холӣ кофӣ набуд. Ҷадвали даврӣ аз сабаби фаромадани тарма аз кашфиётҳо гум шуд.

2. Нусхаи спектрометри массаи Ҷ.Ҷ. Томпсон дар соли 1911 (акс: Ҷефф Дал/Викимедиа Commons)

Атоми атом

Ин 10-100 ҳазор аст. маротиба хурдтар аз тамоми атом. Агар ядрои атоми ҳидрогенро ба андозаи тӯби диаметраш 1 см калон карда, дар маркази майдони футбол ҷойгир кардан лозим бошад, он гоҳ электрон (хурдтар аз сари пин) дар наздикии гол ҷойгир мешуд. (зиёда аз 50 м).

Қариб тамоми массаи атом дар ядро ​​ҷамъ шудааст, масалан, барои тилло тақрибан 99,98% аст. Тасаввур кунед, ки як мукааби ин металл 19,3 тонна вазн дорад. Ҳама чиз ядроҳои атомҳо тилло дорои ҳаҷми умумии камтар аз 1/1000 мм3 (курчаи диаметри камтар аз 0,1 мм). Аз ин рӯ, атом хеле холӣ аст. Хонандагон бояд зичии маводи асосиро ҳисоб кунанд.

Ҳалли ин мушкилотро соли 1910 Фредерик Содди пайдо карда буд. Ӯ мафҳуми изотопҳо, яъне. навъњои як элемент, ки аз рўи массаи атомии худ фарќ мекунанд (1). Ҳамин тариқ, ӯ як постулати дигари Далтонро зери шубҳа гузошт - аз ҳамон лаҳза дигар элементи кимиёвӣ набояд аз атомҳои як масса иборат бошад. Гипотезаи изотопӣ пас аз тасдиқи таҷрибавӣ (масс-спектрограф, 1911) инчунин имкон дод, ки қимматҳои касри массаҳои атомии баъзе элементҳоро шарҳ диҳанд - аксарияти онҳо омехтаҳои изотопҳои зиёд мебошанд ва массаи атом миёнаи вазншудаи массаи ҳамаи онҳост (2).

Ҷузъҳои ядро

Донишҷӯи дигари Резерфорд Ҳенри Мозелӣ дар соли 1913 нурҳои рентгениро, ки элементҳои маълум паҳн мекунанд, омӯхтааст. Баръакси спектрҳои мураккаби оптикӣ, спектри рентгенӣ хеле содда аст - ҳар як элемент танҳо ду дарозии мавҷ медиҳад, ки дарозии мавҷҳо бо заряди ядрои атомии он ба осонӣ алоқаманданд.

3. Яке аз мошинҳои рентгенӣ, ки Мозли истифода мебарад (акс: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Ин имкон дод, ки бори аввал шумораи воқеии элементҳои мавҷуда пешниҳод карда шавад, инчунин муайян карда шавад, ки чӣ қадари онҳо то ҳол барои пур кардани холигоҳҳои ҷадвали даврӣ кифоя нестанд (3).

Заррае, ки заряди мусбат дорад, протон номида мешавад (протони юнонӣ = аввал). Дарҳол боз як мушкилие ба миён омад. Массаи протон тақрибан ба 1 воҳид баробар аст. Дар ҳоле ки ядрои атомй натрий бо заряди 11 вохиди массааш 23 вохид аст? Албатта, дар дигар унсурҳо низ ҳамин тавр аст. Ин маънои онро дорад, ки дар ядро ​​​​заррачаҳои дигар мавҷуданд ва заряд надоранд. Дар аввал физикҳо тахмин мезаданд, ки ин протонҳо бо электронҳо сахт пайвастанд, вале дар ниҳоят исбот шуд, ки заррачаи нав - нейтрон (лотинӣ neuter = бетараф) пайдо шудааст. Кашфи ин заррачаи элементарӣ (ба истилоҳ "хиштҳои" асосие, ки тамоми материяро ташкил медиҳанд) соли 1932 аз ҷониби физики англис Ҷеймс Чедвик кашф шудааст.

Протонҳо ва нейтронҳо метавонанд ба ҳамдигар табдил ёбанд. Физикҳо тахмин мезананд, ки онҳо шаклҳои заррае мебошанд, ки нуклон номида мешаванд ( ядрои лотинӣ = nucleus ).

Азбаски ядрои оддитарин изотопи гидроген протон аст, дидан мумкин аст, ки Вилям Проут дар гипотезаи "гидроген"-и худ сохтмони атом он қадар хато намекард (ниг.: «Бо атом дар тӯли асрҳо - қисми 2»; «Техникаи ҷавон» № 8/2015). Дар аввал, ҳатто байни номҳои протон ва "протон" тафовут вуҷуд дошт.

4. Фотоэлементҳо дар марра - асоси кори онҳо фотоэффект аст (акс: Ies / Wikimedia Commons)

На ҳама чиз иҷозат дода мешавад

Модели Рутерфорд дар замони пайдоиши худ "нуқсони модарзодӣ" дошт. Тибқи қонунҳои электродинамикаи Максвелл (бо пахши радио, ки дар он вақт аллакай амал мекард) тасдиқ карда мешавад, электроне, ки дар доира ҳаракат мекунад, бояд мавҷи электромагнитиро паҳн кунад.

Хамин тавр, вай энергияро гум мекунад, ки дар натича ба ядро ​​меафтад. Дар шароити муътадил атомхо шуоъ намедиханд (спектрхо хангоми то харорати баланд гарм кардан ба вучуд меоянд) ва фалокатхои атомй мушохида карда намешаванд (мудлати тахминии умри электрон камтар аз як миллион як сония аст).

Модели Резерфорд натиљаи таљрибаи пароканда кардани заррањоро шарњ дод, вале то њол ба воќеият мувофиќат намекард.

Дар соли 1913 одамон ба он «одат» карданд, ки энергия дар микрокосмо ба ягон микдор не, балки ба порцияхо, ки квант номида мешавад, гирифта ва фиристода мешавад. Дар хамин асос Макс Планк хусусияти спектрхои шуоъхои аз чисмхои тафсон баровардашавандаро шарх доданд (1900), Альберт Эйнштейн (1905) асрори фотоэффект, яъне аз металлхои мунаввар баровардани электронхоро шарх доданд (4).

5. Тасвири дифраксионии электронҳо дар кристали оксиди тантал сохтори симметрии онро нишон медиҳад (акс: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Физики 28-солаи Дания Нилс Бор модели атоми Резерфордро такмил дод. У таклиф кард, ки электронхо танхо дар мадоре харакат кунанд, ки ба шароити муайяни энергетики чавоб медиханд. Илова бар ин, электронҳо ҳангоми ҳаракат радиатсионӣ намебароранд ва энергия танҳо ҳангоми шунт кардани байни мадорҳо ҷаббида ва хориҷ мешавад. Тахминхо ба физикаи классикй мухолиф буданд, вале натичахои дар асоси онхо ба даст овардашуда (андозаи атоми гидроген ва дарозии хатхои спектри он) ба тачриба мувофик гардиданд. навзод модели атом.

Мутаассифона, натиҷаҳо танҳо барои атоми гидроген дуруст буданд (вале ҳамаи мушоҳидаҳои спектриро шарҳ надоданд). Барои унсурҳои дигар, натиҷаҳои ҳисоб ба воқеият мувофиқат намекарданд. Хамин тавр, физикхо хануз модели назариявии атом надоштанд.

Асрору асрор пас аз ёздах сол равшан шудан гирифт. Рисолаи доктории физики фаронсавӣ Людвик де Бройль ба хосиятҳои мавҷи зарраҳои моддӣ бахшида шудааст. Аллакай исбот карда шудааст, ки рушно ба гайр аз характеристикахои типии мавч (дифракция, рефракция) хамчунин мачмуи заррачахо — фотонхо (масалан, бархурдхои эластики бо электронхо) рафтор мекунад. Аммо объектҳои оммавӣ? Чунин ба назар чунин менамуд, ки ин пешниҳод барои шоҳзодае, ки мехост физик шавад. Аммо дар соли 1927 тачриба гузаронида шуд, ки фарзияи де Бройльро тасдик кард - шуои электрон дар кристалл металл (5).

Атомҳо аз куҷо пайдо шуданд?

Мисли ҳама: Big Bang. Физикхо чунин мешуморанд, ки аслан дар як сония аз «нуқтаи сифр» протонҳо, нейтронҳо ва электронҳо, яъне атомҳои таркибӣ ба вуҷуд омадаанд. Пас аз чанд дакика (вакте ки коинот хунук шуд ва зичии моддахо кам шуд) нуклонхо бо хам омехта шуда, ядрохои элементхои гайр аз гидрогенро ташкил доданд. Микдори калонтарини гелий, инчунин осори се элементи зерин ба вучуд омад. Танҳо пас аз 100 XNUMX Дар тӯли солҳои зиёд, шароит имкон дод, ки электронҳо ба ядро ​​​​пайванд шаванд - аввалин атомҳо ташкил карда шуданд. Ба ман лозим омад, ки дер боз интизор шавам. Тағйирёбии тасодуфии зичӣ боиси пайдоиши зичҳо гардид, ки онҳо, чунон ки ба назар мерасанд, материяро торафт бештар ба худ ҷалб мекунанд. Дере нагузашта, дар торикии коинот аввалин ситорахо фурузон шуданд.

Пас аз тақрибан як миллиард сол, баъзеи онҳо ба мурдан шурӯъ карданд. Дар рафти худ онхо истехсол карданд ядроҳои атомҳо то оҳан. Ва ҳангоме ки онҳо мурданд, онҳоро дар тамоми минтақа паҳн карданд, ва аз хокистар ситораҳои нав пайдо шуданд. Аз ҳама бузургтарини онҳо анҷоми аҷибе дошт. Дар вакти таркишхои супернова ядрохо бо заррачахои зиёд бомбаборон карда мешуданд, ки хатто элементхои вазнинтарин ба вучуд меомаданд. Онҳо ситораҳои нав, сайёраҳо ва дар баъзе кураҳо ҳаёт ба вуҷуд оварданд.

Мавҷудияти мавҷҳои материя исбот шудааст. Аз тарафи дигар, як электрон дар атом ҳамчун мавҷи доимӣ ҳисобида мешуд, ки аз он энергия паҳн намекунад. Хусусиятҳои мавҷи электронҳои ҳаракаткунанда барои эҷоди микроскопҳои электронӣ истифода шуданд, ки барои бори аввал дидани атомҳо имкон дод (6). Дар солхои минбаъда кори Вернер Гейзенберг ва Эрвин Шредингер (дар асоси гипотезаи де Бройль) имкон дод, ки модели нави кабатхои электронии атом комилан ба тачриба асос ёбад. Аммо ин саволҳо берун аз доираи мақола мебошанд.

Орзуи алхимикхо ба амал баромад

Дигаргуниҳои табиии радиоактивӣ, ки дар онҳо элементҳои нав ба вуҷуд меоянд, аз охири асри 1919 маълуманд. Дар XNUMX чизе, ки танҳо табиат то ҳол қодир буд. Эрнест Резерфорд дар ин давра бо таъсири мутақобилаи зарраҳо бо материя машғул буд. Дар рафти озмоишхо вай пай бурд, ки протонхо дар натичаи бо гази азотй шуоъ карданй пайдо мешаванд.

Ягона шарҳи ин падида реаксияи байни ядроҳои гелий (зарра ва ядрои изотопи ин элемент) ва нитроген (7) буд. Дар натиҷа оксиген ва гидроген ба вуҷуд меоянд (протон ядрои изотопи сабуктарин аст). Орзуи алхимикхо дар бораи табдил додан ба амал омад. Дар дахсолахои минбаъда элементхое хосил шуданд, ки дар табиат дида намешаванд.

Дорухои табиии радиоактивие, ки а-заррачахо мебароранд, дигар барои ин максад мувофик набуданд (монеаи кулонии ядрохои вазнин барои он ки заррачаи сабук ба онхо наздик шавад, хеле калон аст). Суръатдиҳандаҳо, ки ба ядроҳои изотопҳои вазнин энергияи азим мебахшанд, ба «печаҳои алхимиявӣ» табдил ёфтанд, ки дар онҳо аҷдодони химикҳои имрӯза барои ба даст овардани «шоҳи металлҳо» кӯшиш мекарданд (8).

Дар асл, дар бораи тилло чӣ гуфтан мумкин аст? Алхимикон аксар вақт симобро ҳамчун ашёи хом барои истеҳсоли он истифода мебурданд. Бояд икрор шуд, ки дар ин сурат онхо «бинии» хакикй доштанд. Аввалин тиллои сунъӣ маҳз аз симобе буд, ки бо нейтронҳо дар реактори ҳастаӣ коркард шудааст. Ин порчаи металлӣ соли 1955 дар конфронси атомии Женева намоиш дода шуда буд.

Расми 6. Атомҳо дар сатҳи тилло, ки дар тасвир дар микроскопи нақби сканерӣ намоёнанд.

7. Схемаи аввалин табдили элементхои инсон

Хабари дастоварди физикҳо ҳатто дар биржаҳои фондии ҷаҳонӣ сару садои кӯтоҳе ба бор овард, аммо хабарҳои ҳангомавии матбуотро маълумот дар бораи қимати маъдани бо ин роҳ истихроҷшуда рад карданд - он аз тиллои табиӣ чандин маротиба гаронтар аст. Реакторҳо кони металлҳои қиматбаҳоро иваз намекунанд. Аммо изотопҳо ва элементҳои сунъии дар онҳо ҳосилшуда (барои мақсадҳои тиб, энергетика, тадқиқоти илмӣ) аз тилло хеле арзишманданд.

8. Циклотрони таърихӣ, ки чанд элементи аввалинро пас аз уран дар ҷадвали даврӣ синтез мекунад (Лабораторияи радиатсионӣ Лоуренс, Донишгоҳи Калифорния, Беркли, августи 1939)

Барои хонандагоне, ки мехоҳанд масъалаҳои дар матн ба миён гузошташударо таҳқиқ кунанд, ман як силсила мақолаҳои ҷаноби Томаш Совинскиро тавсия медиҳам. Солҳои 2006-2010 дар "Техникаи ҷавон" (таҳти рубрикаи "Чӣ гуна онҳо кашф карданд") пайдо шудааст. Матнҳо инчунин дар вебсайти муаллиф дастрасанд: .

Велосипед"Бо атом барои асрҳо» Ӯ бо ёдоварӣ оғоз кард, ки асри гузаштаро аксар вақт асри атом меномиданд. Албатта, комьёбихои фундаменталии физикхо ва химикхои асри XNUMX-ро дар сохти материя кайд кардан мумкин нест. Бо вуҷуди ин, дар солҳои охир дониш дар бораи микрокосм тезтар ва тезтар васеъ мешавад, технологияҳое таҳия карда мешаванд, ки атомҳо ва молекулаҳои алоҳидаро идора мекунанд. Ин ба мо хукук медихад бигуем, ки синни хакикии атом хануз нарасидааст.