Me një atom nëpër shekuj - pjesa 3

Modeli planetar i atomit i Radhërfordit ishte më afër realitetit sesa "pudingu me rrush të thatë" të Thomson. Megjithatë, jeta e këtij koncepti zgjati vetëm dy vjet, por përpara se të flasim për një pasardhës, është koha për të zbuluar sekretet e radhës atomike.

1. Izotopet e hidrogjenit: prot i qëndrueshëm dhe deuterium dhe tritium radioaktiv (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

orteku bërthamor

Zbulimi i fenomenit të radioaktivitetit, i cili shënoi fillimin e zbulimit të mistereve të atomit, fillimisht kërcënoi bazën e kimisë - ligjin e periodicitetit. Në një kohë të shkurtër u identifikuan disa dhjetëra substanca radioaktive. Disa prej tyre kishin të njëjtat veti kimike, pavarësisht nga masa e ndryshme atomike, ndërsa të tjerët, me të njëjtat masa, kishin veti të ndryshme. Për më tepër, në zonën e tabelës periodike ku duhej të vendoseshin për shkak të peshës së tyre, nuk kishte hapësirë ​​të mjaftueshme të lirë për t'i akomoduar të gjithë. Tabela periodike humbi për shkak të një orteku zbulimesh.

2. Kopje e spektrometrit masiv të J.J. Thompson të vitit 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

bërthama atomike

Kjo është 10-100 mijë. herë më i vogël se i gjithë atomi. Nëse bërthama e një atomi hidrogjeni do të zmadhohej në madhësinë e një topi me diametër 1 cm dhe do të vendosej në qendër të një fushe futbolli, atëherë një elektron (më i vogël se një kokë gjilpëre) do të ishte në afërsi të një goli. (mbi 50 m).

Pothuajse e gjithë masa e një atomi është e përqendruar në bërthamë, për shembull, për arin është pothuajse 99,98%. Imagjinoni një kub të këtij metali që peshon 19,3 ton. Të gjitha bërthamat e atomeve ari kanë një vëllim total më të vogël se 1/1000 mm3 (një top me diametër më të vogël se 0,1 mm). Prandaj, atomi është tmerrësisht bosh. Lexuesit duhet të llogarisin densitetin e materialit bazë.

Zgjidhja e këtij problemi u gjet në vitin 1910 nga Frederick Soddy. Ai prezantoi konceptin e izotopeve, d.m.th. varietete të të njëjtit element që ndryshojnë në masën e tyre atomike (1). Kështu, ai vuri në pikëpyetje një tjetër postulat të Daltonit - që nga ai moment, një element kimik nuk duhet të përbëhet më nga atome të së njëjtës masë. Hipoteza izotopike, pas konfirmimit eksperimental (spektrografi masiv, 1911), gjithashtu bëri të mundur shpjegimin e vlerave fraksionale të masave atomike të disa elementeve - shumica e tyre janë përzierje të shumë izotopeve, dhe masë atomike është mesatarja e ponderuar e masave të të gjitha atyre (2).

Komponentët e kernelit

Një tjetër nga studentët e Rutherford, Henry Moseley, studioi rrezet X të emetuara nga elementë të njohur në 1913. Ndryshe nga spektri kompleks optik, spektri i rrezeve X është shumë i thjeshtë - secili element lëshon vetëm dy gjatësi vale, gjatësitë e valëve të të cilave lidhen lehtësisht me ngarkesën e bërthamës së tij atomike.

3. Një nga makinat me rreze X të përdorura nga Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Kjo bëri të mundur për herë të parë paraqitjen e numrit real të elementeve ekzistuese, si dhe përcaktimin se sa prej tyre ende nuk mjaftojnë për të mbushur boshllëqet në tabelën periodike (3).

Një grimcë që mban një ngarkesë pozitive quhet proton (greqisht proton = i pari). Një problem tjetër u ngrit menjëherë. Masa e një protoni është afërsisht e barabartë me 1 njësi. Ndërsa bërthama atomike natriumi me ngarkesë 11 njësi ka masë 23 njësi? E njëjta gjë, natyrisht, është edhe me elementët e tjerë. Kjo do të thotë se duhet të ketë grimca të tjera të pranishme në bërthamë dhe të mos kenë ngarkesë. Fillimisht, fizikantët supozuan se këto ishin protone të lidhur fort me elektrone, por në fund u vërtetua se u shfaq një grimcë e re - neutroni (latinisht neuter = neutral). Zbulimi i kësaj grimce elementare (të ashtuquajturat "tulla" bazë që përbëjnë të gjithë lëndën) u bë në vitin 1932 nga fizikani anglez James Chadwick.

Protonet dhe neutronet mund të shndërrohen në njëri-tjetrin. Fizikanët spekulojnë se ato janë forma të një grimce të quajtur nukleon (latinisht bërthama = bërthamë).

Meqenëse bërthama e izotopit më të thjeshtë të hidrogjenit është një proton, mund të shihet se William Prout në hipotezën e tij të "hidrogjenit" ndërtimi atomik nuk e kishte shumë gabim (shih: “Me atomin nëpër shekuj - pjesa 2”; “Tekniku i ri” nr. 8/2015). Fillimisht, pati edhe luhatje midis emrave proton dhe "proton".

4. Fotocelat në fund - baza e punës së tyre është efekti fotoelektrik (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Jo çdo gjë lejohet

Modeli i Rutherford në momentin e paraqitjes kishte një “defekt të lindur”. Sipas ligjeve të elektrodinamikës të Maksuellit (të konfirmuar nga transmetimi radiofonik që funksiononte tashmë në atë kohë), një elektron që lëviz në një rreth duhet të rrezatojë një valë elektromagnetike.

Kështu, humbet energjinë, si rezultat i së cilës bie në bërthamë. Në kushte normale, atomet nuk rrezatojnë (spektrat formohen kur nxehen në temperatura të larta) dhe katastrofat atomike nuk vërehen (jeta e vlerësuar e një elektroni është më pak se një e milionta e sekondës).

Modeli i Rutherford shpjegoi rezultatin e eksperimentit të shpërndarjes së grimcave, por ende nuk korrespondonte me realitetin.

Në vitin 1913, njerëzit "u mësuan" me faktin se energjia në mikrokozmos merret dhe dërgohet jo në asnjë sasi, por në pjesë, të quajtura kuante. Mbi këtë bazë, Max Planck shpjegoi natyrën e spektrave të rrezatimit të emetuar nga trupat e nxehtë (1900), dhe Albert Einstein (1905) sekretet e efektit fotoelektrik, d.m.th., emetimin e elektroneve nga metalet e ndriçuara (4).

5. Imazhi i difraksionit të elektroneve në një kristal të oksidit të tantalit tregon strukturën e tij simetrike (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Fizikani 28-vjeçar danez Niels Bohr përmirësoi modelin e atomit të Rutherford. Ai sugjeroi që elektronet të lëvizin vetëm në orbita që plotësojnë kushte të caktuara të energjisë. Përveç kësaj, elektronet nuk lëshojnë rrezatim ndërsa lëvizin, dhe energjia absorbohet dhe emetohet vetëm kur kalohet midis orbitave. Supozimet kundërshtuan fizikën klasike, por rezultatet e marra në bazë të tyre (madhësia e atomit të hidrogjenit dhe gjatësia e linjave të spektrit të tij) rezultuan të jenë në përputhje me eksperimentin. i sapolindur modeli i atomit.

Fatkeqësisht, rezultatet ishin të vlefshme vetëm për atomin e hidrogjenit (por nuk shpjeguan të gjitha vëzhgimet spektrale). Për elementët e tjerë, rezultatet e llogaritjes nuk korrespondonin me realitetin. Kështu, fizikanët nuk kishin ende një model teorik të atomit.

Misteret filluan të sqaroheshin pas njëmbëdhjetë vjetësh. Disertacioni i doktoraturës i fizikanit francez Ludwik de Broglie trajtonte vetitë valore të grimcave materiale. Tashmë është vërtetuar se drita, përveç karakteristikave tipike të një vale (difraksion, përthyerje), sillet edhe si një koleksion grimcash - fotone (për shembull, përplasjet elastike me elektrone). Por objekte masive? Sugjerimi dukej si një ëndërr për një princ që donte të bëhej fizikant. Sidoqoftë, në vitin 1927 u krye një eksperiment që konfirmoi hipotezën e de Broglie - tufa e elektroneve shpërtheu në një kristal metalik (5).

Nga erdhën atomet?

Si gjithë të tjerët: Big Bang. Fizikanët besojnë se fjalë për fjalë në një fraksion të sekondës nga "pika zero" u formuan protonet, neutronet dhe elektronet, domethënë atomet përbërëse. Disa minuta më vonë (kur universi u ftoh dhe dendësia e materies u zvogëlua), nukleonet u bashkuan së bashku, duke formuar bërthamat e elementëve të ndryshëm nga hidrogjeni. U formua sasia më e madhe e heliumit, si dhe gjurmët e tre elementëve të mëposhtëm. Vetëm pas 100 XNUMX Për shumë vite, kushtet lejuan që elektronet të lidhen me bërthamat - u formuan atomet e para. Më duhej të prisja shumë për tjetrën. Luhatjet e rastësishme të densitetit shkaktuan formimin e densiteteve, të cilat, siç dukeshin, tërhiqnin gjithnjë e më shumë materie. Së shpejti, në errësirën e universit, yjet e parë u ndezën.

Pas rreth një miliard vjetësh, disa prej tyre filluan të vdisnin. Në rrjedhën e tyre ata prodhonin bërthamat e atomeve deri te hekuri. Tani, kur ata vdiqën, i përhapën në të gjithë rajonin dhe yjet e rinj lindën nga hiri. Më masive prej tyre pati një fund spektakolar. Gjatë shpërthimeve të supernovës, bërthamat u bombarduan me aq shumë grimca sa u formuan edhe elementët më të rëndë. Ata formuan yje të rinj, planetë dhe në disa globe - jetë.

Ekzistenca e valëve të materies është vërtetuar. Nga ana tjetër, një elektron në një atom konsiderohej si një valë në këmbë, për shkak të së cilës nuk rrezaton energji. Vetitë valore të elektroneve në lëvizje u përdorën për të krijuar mikroskop elektronikë, të cilët bënë të mundur shikimin e atomeve për herë të parë (6). Në vitet pasuese, puna e Werner Heisenberg dhe Erwin Schrödinger (në bazë të hipotezës së de Broglie) bëri të mundur zhvillimin e një modeli të ri të predhave elektronike të atomit, plotësisht të bazuar në përvojë. Por këto janë pyetje përtej qëllimit të artikullit.

Ëndrra e alkimistëve u realizua

Transformimet natyrore radioaktive, në të cilat formohen elemente të reja, janë të njohura që nga fundi i shekullit të 1919-të. Në XNUMX, diçka që vetëm natyra ka qenë e aftë deri tani. Ernest Rutherford gjatë kësaj periudhe ishte i angazhuar në bashkëveprimin e grimcave me materien. Gjatë provave, ai vuri re se protonet u shfaqën si rezultat i rrezatimit me gaz azot.

Shpjegimi i vetëm për fenomenin ishte reagimi midis bërthamave të heliumit (një grimcë dhe bërthama e një izotopi të këtij elementi) dhe azotit (7). Si rezultat, formohen oksigjeni dhe hidrogjeni (një proton është bërthama e izotopit më të lehtë). Ëndrra e alkimistëve për transformimin është realizuar. Në dekadat në vijim u prodhuan elementë që nuk gjenden në natyrë.

Preparatet natyrore radioaktive që lëshojnë grimca a nuk ishin më të përshtatshme për këtë qëllim (pengesa e Kulombit e bërthamave të rënda është shumë e madhe që një grimcë e lehtë t'u afrohet atyre). Përshpejtuesit, duke i dhënë energji të madhe bërthamave të izotopeve të rënda, rezultuan se ishin "furra alkimike" në të cilat paraardhësit e kimistëve të sotëm u përpoqën të merrnin "mbretin e metaleve" (8).

Në fakt, po ari? Alkimistët më së shpeshti përdornin merkurin si lëndë të parë për prodhimin e tij. Duhet pranuar se në këtë rast ata kishin një "hundë" të vërtetë. Ishte nga merkuri i trajtuar me neutrone në një reaktor bërthamor që për herë të parë u përftua ari artificial. Pjesa metalike u shfaq në vitin 1955 në Konferencën Atomike të Gjenevës.

Fig. 6. Atomet në sipërfaqen e arit, të dukshme në imazh në një mikroskop tunelimi skanues.

7. Skema e shndërrimit të parë njerëzor të elementeve

Lajmi për arritjen e fizikantëve madje shkaktoi një bujë të shkurtër në bursat botërore, por njoftimet e bujshme të shtypit u përgënjeshtruan nga informacionet për çmimin e xehes së nxjerrë në këtë mënyrë - është shumë herë më i shtrenjtë se ari natyror. Reaktorët nuk do të zëvendësojnë minierën e metaleve të çmuara. Por izotopet dhe elementet artificiale të prodhuara në to (për qëllime mjekësie, energjie, kërkimesh shkencore) janë shumë më të vlefshme se ari.

8. Ciklotroni historik që sintetizon elementët e parë pas uraniumit në tabelën periodike (Laboratori i rrezatimit Lawrence, Universiteti i Kalifornisë, Berkeley, gusht 1939)

Për lexuesit që dëshirojnë të eksplorojnë çështjet e ngritura në tekst, unë rekomandoj një seri artikujsh nga z. Tomasz Sowiński. U shfaq në "Young Technics" në 2006-2010 (nën titullin "Si zbuluan"). Tekstet gjenden gjithashtu në faqen e internetit të autorit në: .

Cikli "Me një atom përgjithmonëAi filloi me një kujtesë se shekulli i kaluar shpesh quhej epoka e atomit. Sigurisht, nuk mund të mos vërehen arritjet themelore të fizikanëve dhe kimistëve të shekullit XNUMX në strukturën e materies. Sidoqoftë, vitet e fundit, njohuritë për mikrokozmosin po zgjerohen më shpejt dhe më shpejt, po zhvillohen teknologji që lejojnë manipulimin e atomeve dhe molekulave individuale. Kjo na jep të drejtën të themi se mosha reale e atomit nuk ka ardhur ende.