Avèk yon atòm atravè tout laj - pati 3

Modèl planetè atòm nan Rutherford te pi pre reyalite pase "pouding rezen chèch" Thomson. Sepandan, lavi a nan konsèp sa a te dire sèlman de ane, men anvan ou pale sou yon siksesè, li lè yo débouyé pwochen sekrè atomik yo.

1. Isotop idwojèn: pwotèj ki estab ak deteryòm ak tritium radyo-aktif (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

lavalas nikleyè

Dekouvèt la nan fenomèn nan radyoaktivite, ki te make kòmansman an nan debouche mistè yo nan atòm nan, okòmansman menase baz la nan chimi - lwa a nan peryodikite. Nan yon ti tan, plizyè douzèn sibstans radyo-aktif yo te idantifye. Kèk nan yo te gen menm pwopriyete chimik, malgre diferan mas atomik la, pandan ke lòt moun, ak menm mas yo, te gen diferan pwopriyete. Anplis de sa, nan zòn tab peryodik la kote yo ta dwe mete akòz pwa yo, pa te gen ase espas gratis pou akomode yo tout. Tablo peryodik la te pèdi akòz yon lavalas dekouvèt.

2. Replik espektwomèt mas J.J. Thompson an 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Nwayo atomik

Sa a se 10-100 mil. fwa pi piti pase tout atòm nan. Si nwayo yon atòm idwojèn ta dwe elaji nan gwosè yon boul ki gen yon dyamèt 1 cm epi mete l nan sant yon teren foutbòl, Lè sa a, yon elèktron (pi piti pase yon tèt zepeng) ta nan vwazinaj yon gòl. (plis pase 50 m).

Prèske tout mas yon atòm konsantre nan nwayo a, pou egzanp, pou lò li se prèske 99,98%. Imajine yon kib metal sa a ki peze 19,3 tòn. Tout bagay nwayo atòm yo lò gen yon volim total mwens pase 1/1000 mm3 (yon boul ki gen yon dyamèt mwens pase 0,1 mm). Se poutèt sa, atòm nan se fò anpil vid. Lektè yo dwe kalkile dansite materyèl debaz la.

Solisyon pwoblèm sa a te jwenn an 1910 pa Frederick Soddy. Li te prezante konsèp izotòp, i.e. varyete menm eleman ki diferan nan mas atomik yo (1). Kidonk, li te mete an kesyon yon lòt postula Dalton - apati moman sa a, yon eleman chimik pa ta dwe konpoze de atòm ki gen menm mas la ankò. Ipotèz izotopik la, apre konfimasyon eksperimantal (mass spectrograph, 1911), tou te fè li posib yo eksplike valè fraksyon nan mas atomik kèk eleman - pi fò nan yo se melanj nan anpil izotòp, ak mas atomik se mwayèn pondéré nan mas yo tout (2).

Konpozan Kernel

Yon lòt etidyan Rutherford, Henry Moseley, an 1913 te etidye reyon X emèt pa eleman li te ye. Kontrèman ak spectre optik konplèks, spectre X-ray la trè senp - chak eleman emèt sèlman de longèdonn, longèdonn yo fasil korelasyon ak chaj la nan nwayo atomik li yo.

3. Youn nan machin radyografi Moseley itilize (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Sa a te fè li posib pou premye fwa prezante kantite reyèl eleman ki egziste deja, osi byen ke detèmine konbyen nan yo ki toujou pa ase yo ranpli twou vid ki genyen nan tablo peryodik la (3).

Yon patikil ki pote yon chaj pozitif yo rele yon pwoton (pwoton grèk = premye). Yon lòt pwoblèm imedyatman parèt. Mas yon pwoton se apeprè egal a 1 inite. Lè nou konsidere ke nwayo atomik sodyòm ak yon chaj 11 inite gen yon mas 23 inite? Menm bagay la tou, nan kou, se ka a ak lòt eleman. Sa vle di ke dwe gen lòt patikil ki prezan nan nwayo a epi yo pa gen yon chaj. Okòmansman, fizisyen yo te sipoze ke pwoton sa yo te fòtman mare ak elektwon, men nan fen a li te pwouve ke yon patikil nouvo parèt - netwon an (Latin neuter = net). Dekouvèt patikil elemantè sa a (sa yo rele "brik" debaz ki fòme tout matyè) te fè an 1932 pa fizisyen angle James Chadwick.

Pwoton ak netwon ka tounen youn nan lòt. Fizisyen espekile ke yo se fòm yon patikil yo rele yon nukleon (Laten nwayo = nwayo).

Piske nwayo izotòp ki pi senp idwojèn lan se yon pwoton, li ka wè William Prout nan ipotèz "idwojèn" li. konstriksyon atòm li pa t twò mal (gade: "Avèk atòm nan atravè laj yo - pati 2"; "Jenn teknisyen" No 8/2015). Okòmansman, te gen menm fluctuations ant non yo pwoton ak "proton".

4. Fotoselil nan fini an - baz travay yo se efè fotoelektrik (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Se pa tout bagay ki pèmèt

Modèl Rutherford nan moman aparans li te gen yon "defo konjenital". Dapre lwa elektwodinamik Maxwell yo (konfime pa emisyon radyo ki deja fonksyone nan epòk sa a), yon elèktron k ap deplase nan yon sèk ta dwe gaye yon onn elektwomayetik.

Kidonk, li pèdi enèji, kòm yon rezilta li tonbe sou nwayo a. Anba kondisyon nòmal, atòm yo pa gaye (spèkt yo fòme lè yo chofe nan tanperati ki wo) epi yo pa obsève katastwòf atomik (la lavi estime yon elèktron se mwens pase yon milyonyèm nan yon segonn).

Modèl Rutherford a eksplike rezilta a nan eksperyans nan gaye patikil, men yo toujou pa t 'koresponn ak reyalite.

An 1913, moun yo "te abitye" ak lefèt ke enèji nan mikrokosm la pran epi yo voye pa nan nenpòt ki kantite, men nan pòsyon yo rele quanta. Sou baz sa a, Max Planck te eksplike nati a nan spectre radyasyon ki emèt pa kò chofe (1900), ak Albert Einstein (1905) eksplike sekrè yo nan efè a foto-elektrik, sa vle di, emisyon an nan elektwon pa metal eklere (4).

5. Imaj difraksyon elektwon sou yon kristal oksid Tantal montre estrikti simetrik li (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Niels Bohr fizisyen Danwa ki gen 28 an te amelyore modèl atòm nan Rutherford. Li sijere ke elektwon deplase sèlman nan òbit ki satisfè sèten kondisyon enèji. Anplis de sa, elektwon pa emèt radyasyon pandan y ap deplase, ak enèji sèlman absòbe ak emèt lè shunt ant òbit. Sipozisyon yo te kontredi fizik klasik, men rezilta yo te jwenn sou baz yo (gwosè atòm idwojèn nan ak longè liy spectre li yo) te tounen konsistan avèk eksperyans la. nouvo fèt modèl atomu.

Malerezman, rezilta yo te valab sèlman pou atòm idwojèn (men pa t eksplike tout obsèvasyon espèk yo). Pou lòt eleman, rezilta kalkil yo pa t koresponn ak reyalite. Kidonk, fizisyen poko gen yon modèl teyorik atòm nan.

Mistè yo te kòmanse klè apre onz ane. Tèz doktora nan fizisyen franse Ludwik de Broglie te fè fas ak pwopriyete vag nan patikil materyèl. Li te deja pwouve ke limyè, nan adisyon a karakteristik sa yo tipik nan yon vag (difraksyon, refraksyon), tou konpòte li tankou yon koleksyon patikil - foton (pou egzanp, kolizyon elastik ak elektwon). Men, mas objè? Sijesyon an te sanble tankou yon rèv tiyo pou yon chèf ki te vle vin yon fizisyen. Sepandan, an 1927 yo te fè yon eksperyans ki te konfime ipotèz de Broglie a - gwo bout bwa elèktron difrakte sou yon kristal metal (5).

Ki kote atòm soti?

Tankou tout lòt moun: Big Bang. Fizisyen kwè ke literalman nan yon fraksyon nan yon segonn soti nan "zewo pwen" pwoton yo, netwon ak elektwon, se sa ki, atòm yo konstitiyan, yo te fòme. Kèk minit apre (lè linivè a refwadi ak dansite matyè a diminye), nukleon yo te fusion ansanm, fòme nwayo eleman ki pa idwojèn. Pi gwo kantite elyòm te fòme, osi byen ke tras nan twa eleman sa yo. Se sèlman apre 100 XNUMX Pou anpil ane, kondisyon yo te pèmèt elektwon yo mare nan nwayo - premye atòm yo te fòme. Mwen te oblije tann yon bon bout tan pou pwochen an. Fluctuations o aza nan dansite te lakòz fòmasyon nan dansite, ki, jan yo te parèt, atire pi plis ak plis matyè. Byento, nan fènwa a nan linivè a, premye zetwal yo te flannen.

Apre anviwon yon milya ane, kèk nan yo te kòmanse mouri. Nan kou yo yo te pwodwi nwayo atòm yo desann nan fè. Kounye a, lè yo te mouri, yo gaye yo nan tout rejyon an, e nouvo zetwal yo te fèt nan sann yo. Ki pi masiv nan yo te gen yon fen espektakilè. Pandan eksplozyon supernova, nwayo yo te bonbade ak anpil patikil ke menm eleman ki pi lou yo te fòme. Yo te fòme nouvo zetwal, planèt, ak sou kèk glòb - lavi.

Egzistans lan nan vag matyè yo te pwouve. Nan lòt men an, yon elèktron nan yon atòm te konsidere kòm yon vag kanpe, akòz ki li pa gaye enèji. Pwopriyete vag elektwon k ap deplase yo te itilize pou kreye mikwoskòp elèktron, ki te fè li posib pou wè atòm pou premye fwa (6). Nan ane ki vin apre yo, travay Werner Heisenberg ak Erwin Schrödinger (sou baz ipotèz de Broglie) te fè li posib pou devlope yon nouvo modèl kokiy elèktron atòm nan, konplètman ki baze sou eksperyans. Men, sa yo se kesyon ki depase sijè ki abòde lan atik la.

Rèv alchimist yo rive vre

Transfòmasyon radyo-aktif natirèl, kote nouvo eleman yo fòme, yo te konnen depi nan fen 1919yèm syèk la. Nan XNUMX, yon bagay ke sèlman lanati te kapab jiska kounye a. Ernest Rutherford pandan peryòd sa a te angaje nan entèraksyon an nan patikil ak matyè. Pandan tès yo, li remake ke pwoton yo parèt kòm yon rezilta nan iradyasyon ak gaz nitwojèn.

Sèl eksplikasyon pou fenomèn nan se te reyaksyon ant nwayo elyòm (yon patikil ak nwayo yon izotòp eleman sa a) ak nitwojèn (7). Kòm yon rezilta, oksijèn ak idwojèn yo fòme (yon pwoton se nwayo izotòp ki pi lejè a). Rèv alchimist yo nan transmitasyon te rive vre. Nan deseni sa yo, yo te pwodwi eleman ki pa jwenn nan lanati.

Preparasyon radyo-aktif natirèl ki emèt a-patikil yo pa t apwopriye ankò pou objektif sa a (baryè Coulomb nan nwayo lou twò gwo pou yon patikil limyè apwoche yo). Akseleratè yo, ki bay gwo enèji nan nwayo izotòp lou yo, yo te tounen "fono alchimik", kote zansèt yo nan famasi jodi a te eseye jwenn "wa metal yo" (8).

Aktyèlman, e lò? Alchimist yo pi souvan itilize mèki kòm yon matyè premyè pou pwodiksyon li yo. Li dwe admèt ke nan ka sa a yo te gen yon reyèl "nen". Li te soti nan mèki trete ak netwon nan yon raktor nikleyè ke lò atifisyèl yo te premye jwenn. Yo te montre moso metal la an 1955 nan Konferans Atomik Jenèv la.

Fig. 6. Atòm sou sifas lò, vizib nan imaj la nan yon mikwoskòp tinèl.

7. Scheme premye transmutasyon moun nan eleman yo

Nouvèl la nan reyalizasyon nan fizisyen menm lakòz yon brase kout sou echanj yo stock nan lemonn, men rapò yo laprès sansasyonalis yo te demanti pa enfòmasyon sou pri a nan minrè a min nan fason sa a - li se anpil fwa pi chè pase lò natirèl. Réacteurs p'ap ranplase min metal presye. Men, izotòp yo ak eleman atifisyèl ki pwodui nan yo (pou rezon medikaman, enèji, rechèch syantifik) gen plis valè pase lò.

8. Siklotron istorik ki fè sentèz premye eleman apre iranyòm nan tablo peryodik la (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, Out 1939)

Pou lektè ki ta renmen eksplore pwoblèm ki soulve nan tèks la, mwen rekòmande yon seri atik misye Tomasz Sowiński. Te parèt nan "Young Technics" nan ane 2006-2010 (anba tit "Ki jan yo dekouvri"). Tèks yo disponib tou sou sitwèb otè a nan: .

Sik "Avèk yon atòm pou laj» Li te kòmanse ak yon rapèl ke syèk ki sot pase a te souvan rele laj atòm nan. Natirèlman, yon moun pa ka pa sonje reyalizasyon fondamantal fizisyen ak famasi yo nan XNUMXyèm syèk la nan estrikti matyè a. Sepandan, nan dènye ane yo, konesans sou mikrokosm la ap agrandi pi vit ak pi vit, teknoloji yo ap devlope ki pèmèt manipile atòm endividyèl ak molekil. Sa a ban nou dwa pou di ke laj reyèl atòm nan poko rive.