Əsrlər boyu atomla - 3-cü hissə

Rezerfordun atomun planetar modeli Tomsonun “kişmiş pudinqi”ndən daha çox reallığa yaxın idi. Bununla belə, bu konsepsiyanın ömrü cəmi iki il çəkdi, lakin bir varisi haqqında danışmazdan əvvəl, növbəti atom sirlərini açmaq vaxtı gəldi.

1. Hidrogen izotopları: stabil prot və deuterium və radioaktiv tritium (şəkil: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

nüvə uçqunu

Atomun sirlərinin açılmasının başlanğıcını qoyan radioaktivlik hadisəsinin kəşfi əvvəlcə kimyanın əsasını - dövrilik qanununu təhlükə altına qoydu. Qısa müddətdə bir neçə onlarla radioaktiv maddə müəyyən edilib. Onların bəziləri fərqli atom kütlələrinə baxmayaraq eyni kimyəvi xassələrə, eyni kütlələrə malik digərləri isə fərqli xüsusiyyətlərə malik idi. Üstəlik, dövri cədvəlin çəkilərinə görə yerləşdirilməli olduqları sahədə hamısını yerləşdirmək üçün kifayət qədər boş yer yox idi. Dövri cədvəl kəşflər uçqunu səbəbindən itirildi.

2. J.J.Tompsonun 1911-ci ildəki kütlə spektrometrinin replikası (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

atom nüvəsi

Bu 10-100 mindir. bütün atomdan dəfələrlə kiçikdir. Əgər hidrogen atomunun nüvəsi diametri 1 sm olan topun ölçüsünə qədər böyüdülsə və futbol meydançasının mərkəzinə yerləşdirilsəydi, onda bir elektron (pin başından kiçik) qolun yaxınlığında olardı. (50 m-dən çox).

Bir atomun demək olar ki, bütün kütləsi nüvədə cəmləşmişdir, məsələn, qızıl üçün demək olar ki, 99,98% -dir. Bu metalın 19,3 ton ağırlığında bir kubunu təsəvvür edin. Hamısı atomların nüvələri qızılın ümumi həcmi 1/1000 mm3-dən azdır (diametri 0,1 mm-dən az olan top). Buna görə də atom dəhşətli dərəcədə boşdur. Oxucular əsas materialın sıxlığını hesablamalıdırlar.

Bu problemin həlli yolu 1910-cu ildə Frederik Soddi tərəfindən tapılıb. O, izotoplar anlayışını təqdim etdi, yəni. atom kütləsi ilə fərqlənən eyni elementin növləri (1). Beləliklə, o, Daltonun başqa bir postulatını sual altına qoydu - o andan etibarən kimyəvi element artıq eyni kütləli atomlardan ibarət olmamalıdır. İzotop fərziyyə, eksperimental təsdiqdən sonra (kütləvi spektroqraf, 1911) bəzi elementlərin atom kütlələrinin fraksiya dəyərlərini izah etməyə imkan verdi - onların əksəriyyəti bir çox izotopların qarışıqlarıdır və atom kütləsi onların hamısının kütlələrinin orta çəkisidir (2).

Kernel komponentləri

Ruterfordun digər tələbəsi Henri Mozli 1913-cü ildə məlum elementlərin yaydığı rentgen şüalarını tədqiq etmişdir. Mürəkkəb optik spektrlərdən fərqli olaraq, rentgen spektri çox sadədir - hər bir element yalnız iki dalğa uzunluğu yayır, dalğa uzunluqları atom nüvəsinin yükü ilə asanlıqla əlaqələndirilir.

3. Moselinin istifadə etdiyi rentgen aparatlarından biri (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Bu, ilk dəfə olaraq mövcud elementlərin həqiqi sayını təqdim etməyə, həmçinin onların neçəsinin hələ də dövri cədvəldəki boşluqları doldurmaq üçün kifayət etmədiyini müəyyən etməyə imkan verdi (3).

Müsbət yük daşıyan hissəcik proton adlanır (yunanca proton = birinci). Dərhal başqa bir problem ortaya çıxdı. Protonun kütləsi təxminən 1 vahidə bərabərdir. Halbuki atom nüvəsi 11 vahid yükü olan natriumun kütləsi 23 vahiddir? Eyni şey, əlbəttə ki, digər elementlərdə də belədir. Bu o deməkdir ki, nüvədə yükü olmayan başqa hissəciklər də olmalıdır. Əvvəlcə fiziklər bunların elektronlarla möhkəm bağlı protonlar olduğunu güman edirdilər, lakin sonda sübut olundu ki, yeni hissəcik - neytron (latınca neytral = neytral) meydana çıxdı. Bu elementar hissəciyin (bütün maddələri təşkil edən əsas “kərpiclər” adlanan) kəşfi 1932-ci ildə ingilis fiziki Ceyms Çadvik tərəfindən edilmişdir.

Protonlar və neytronlar bir-birinə çevrilə bilər. Fiziklər onların nuklon (Latın nüvəsi = nüvə) adlanan hissəciyin formaları olduğunu fərz edirlər.

Hidrogenin ən sadə izotopunun nüvəsi proton olduğundan, William Proutun özünün "hidrogen" fərziyyəsində görmək olar. atom tikintisi çox da yanılmırdı (bax: “Atomla əsrlər boyu - 2-ci hissə”; ​​“Gənc Texnik” № 8/2015). Əvvəlcə proton və "proton" adları arasında hətta dalğalanmalar var idi.

4. Sonda fotosellər - onların işinin əsasını fotoelektrik effekt təşkil edir (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Hər şeyə icazə verilmir

Ruterfordun modeli göründüyü zaman "anadangəlmə qüsur" var idi. Maksvellin elektrodinamika qanunlarına görə (o dövrdə artıq fəaliyyət göstərən radio yayımı ilə təsdiqlənir) bir dairədə hərəkət edən elektron elektromaqnit dalğası yaymalıdır.

Beləliklə, o, enerjisini itirir, nəticədə nüvənin üzərinə düşür. Normal şəraitdə atomlar şüalanmır (yüksək temperatura qədər qızdırıldıqda spektrlər əmələ gəlir) və atom fəlakətləri müşahidə olunmur (bir elektronun təxmini ömrü saniyənin milyonda birindən azdır).

Ruterfordun modeli hissəciklərin səpilməsi təcrübəsinin nəticəsini izah etdi, lakin yenə də reallığa uyğun gəlmədi.

1913-cü ildə insanlar mikrokosmosda enerjinin istənilən miqdarda deyil, kvant adlanan hissələrlə alınmasına və göndərilməsinə “alışıblar”. Bu əsasda Maks Plank qızdırılan cisimlərin buraxdığı şüalanma spektrlərinin təbiətini (1900), Albert Eynşteyn (1905) isə fotoelektrik effektin, yəni işıqlandırılmış metalların elektronların buraxılmasının sirlərini izah etmişlər (4).

5. Tantal oksidi kristalında elektronların difraksiya təsviri onun simmetrik quruluşunu göstərir (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 yaşlı danimarkalı fizik Niels Bor Ruterfordun atom modelini təkmilləşdirdi. O, elektronların yalnız müəyyən enerji şərtlərinə cavab verən orbitlərdə hərəkət etməsini təklif etdi. Bundan əlavə, elektronlar hərəkət edərkən radiasiya yaymırlar və enerji yalnız orbitlər arasında manevr edildikdə udulur və yayılır. Fərziyyələr klassik fizikaya zidd idi, lakin onların əsasında əldə edilən nəticələr (hidrogen atomunun ölçüsü və onun spektrinin xətlərinin uzunluğu) təcrübə ilə uyğunlaşdı. yeni doğulmuş atom modeli.

Təəssüf ki, nəticələr yalnız hidrogen atomu üçün etibarlı idi (lakin bütün spektral müşahidələri izah etmədi). Digər elementlər üçün hesablama nəticələri reallığa uyğun gəlmədi. Beləliklə, fiziklər hələ atomun nəzəri modelinə malik deyildilər.

On bir ildən sonra sirlər aydınlaşmağa başladı. Fransız fiziki Lüdvik de Broylun doktorluq dissertasiyası maddi hissəciklərin dalğa xassələrindən bəhs edirdi. Artıq sübut edilmişdir ki, işığın dalğanın tipik xüsusiyyətlərindən (difraksiya, qırılma) əlavə olaraq, həm də hissəciklər toplusu - fotonlar (məsələn, elektronlarla elastik toqquşmalar) kimi davranır. Bəs kütləvi obyektlər? Təklif fizik olmaq istəyən şahzadə üçün boş yuxu kimi görünürdü. Lakin 1927-ci ildə de Broyl fərziyyəsini təsdiq edən eksperiment aparıldı - elektron şüası metal kristal üzərində difraksiyaya uğradı (5).

Atomlar haradan gəldi?

Hər kəs kimi: Big Bang. Fiziklər hesab edirlər ki, sözün əsl mənasında saniyənin bir hissəsində "sıfır nöqtəsindən" protonlar, neytronlar və elektronlar, yəni tərkib atomları əmələ gəlib. Bir neçə dəqiqə sonra (kainat soyuyanda və maddənin sıxlığı azaldıqda) nuklonlar birləşərək hidrogendən başqa elementlərin nüvələrini əmələ gətirirlər. Ən böyük miqdarda helium, həmçinin aşağıdakı üç elementin izləri meydana gəldi. Yalnız 100 XNUMX-dan sonra Uzun illər ərzində şərtlər elektronların nüvələrə bağlanmasına imkan verdi - ilk atomlar meydana gəldi. Növbətisini çox gözləməli oldum. Sıxlığın təsadüfi dəyişməsi sıxlıqların əmələ gəlməsinə səbəb oldu ki, onlar göründükləri kimi daha çox maddəni cəlb edirdilər. Tezliklə kainatın qaranlığında ilk ulduzlar alovlandı.

Təxminən bir milyard ildən sonra onlardan bəziləri ölməyə başladı. Öz kurslarında istehsal etdilər atomların nüvələri dəmirə qədər. İndi öləndə onları bütün bölgəyə yaydılar və küldən yeni ulduzlar doğuldu. Onlardan ən kütləviinin möhtəşəm sonu var idi. Fövqəlnova partlayışları zamanı nüvələr o qədər çox hissəciklərlə bombardman edilirdi ki, hətta ən ağır elementlər belə əmələ gəlirdi. Onlar yeni ulduzlar, planetlər və bəzi qlobuslarda həyat yaratdılar.

Maddə dalğalarının mövcudluğu sübut edilmişdir. Digər tərəfdən, bir atomdakı bir elektron enerji yaymadığı üçün daimi dalğa kimi qəbul edildi. Hərəkət edən elektronların dalğa xüsusiyyətlərindən elektron mikroskopları yaratmaq üçün istifadə edilmişdir ki, bu da ilk dəfə atomları görməyə imkan vermişdir (6). Sonrakı illərdə Verner Heyzenberq və Ervin Şrödingerin işi (de Broyl fərziyyəsi əsasında) tamamilə təcrübəyə əsaslanan atomun elektron qabıqlarının yeni modelini hazırlamağa imkan verdi. Ancaq bunlar məqalənin əhatə dairəsindən kənar suallardır.

Kimyagərlərin arzusu gerçəkləşdi

Yeni elementlərin əmələ gəldiyi təbii radioaktiv çevrilmələr 1919-cu əsrin sonlarından məlumdur. XNUMX-də indiyə qədər yalnız təbiətin bacardığı bir şey. Ernest Ruterford bu dövrdə zərrəciklərin maddə ilə qarşılıqlı təsiri ilə məşğul idi. Sınaqlar zamanı o, protonların azot qazı ilə şüalanma nəticəsində meydana çıxdığını müşahidə edib.

Bu fenomenin yeganə izahı helium nüvələri (bir hissəcik və bu elementin izotopunun nüvəsi) və azot (7) arasındakı reaksiya idi. Nəticədə oksigen və hidrogen əmələ gəlir (proton ən yüngül izotopun nüvəsidir). Kimyagərlərin çevrilmə arzusu gerçəkləşdi. Sonrakı onilliklərdə təbiətdə olmayan elementlər istehsal edildi.

a-hissəcikləri yayan təbii radioaktiv preparatlar artıq bu məqsəd üçün uyğun deyildi (ağır nüvələrin Kulon maneəsi yüngül hissəciyin onlara yaxınlaşması üçün çox böyükdür). Ağır izotopların nüvələrinə nəhəng enerji verən sürətləndiricilər indiki kimyaçıların əcdadlarının “metalların kralı”nı əldə etməyə çalışdıqları “kimyəvi sobalar”a çevrildi (8).

Əslində, bəs qızıl? Kimyagərlər ən çox onun istehsalı üçün xammal kimi civədən istifadə edirdilər. Etiraf etmək lazımdır ki, bu vəziyyətdə onların əsl "burnu" var idi. Nüvə reaktorunda neytronlarla işlənmiş civədən ilk dəfə süni qızıl əldə edilmişdir. Metal parçası 1955-ci ildə Cenevrə Atom Konfransında nümayiş etdirildi.

Şəkil 6. Qızılın səthindəki atomlar, skan edən tunel mikroskopunda şəkildə görünən.

7. Elementlərin ilk insan çevrilməsinin sxemi

Fiziklərin nailiyyətləri haqqında xəbər hətta dünya birjalarında qısa çaxnaşma yaratdı, lakin sensasiyalı mətbuat xəbərləri bu yolla çıxarılan filizin qiyməti ilə bağlı məlumatlarla təkzib edildi - bu, təbii qızıldan dəfələrlə bahadır. Reaktorlar qiymətli metal mədənini əvəz etməyəcək. Amma onlarda istehsal olunan izotoplar və süni elementlər (tibb, enerji, elmi tədqiqat məqsədləri üçün) qızıldan qat-qat qiymətlidir.

8. Dövri sistemdə urandan sonra ilk bir neçə elementi sintez edən tarixi siklotron (Lorens Radiasiya Laboratoriyası, Kaliforniya Universiteti, Berkeley, avqust 1939)

Mətndə qaldırılan məsələləri araşdırmaq istəyən oxucular üçün cənab Tomaş Sovinskinin bir sıra məqalələrini tövsiyə edirəm. 2006-2010-cu illərdə "Gənc Texnika"da ("Necə kəşf etdilər" başlığı altında) çıxdı. Mətnləri müəllifin internet saytında da əldə etmək olar: .

Velosiped"Əsrlər boyu bir atomla» O, ötən əsrin çox vaxt atom əsri adlandırıldığını xatırladaraq başladı. Əlbəttə ki, XNUMX əsrin fiziklərinin və kimyaçılarının maddənin quruluşunda əldə etdiyi fundamental nailiyyətləri qeyd etməmək olmaz. Bununla belə, son illərdə mikrokosmos haqqında biliklər daha sürətli və daha sürətlə genişlənir, ayrı-ayrı atom və molekullarla manipulyasiya etməyə imkan verən texnologiyalar hazırlanır. Bu, bizə atomun əsl yaşının hələ çatmadığını söyləmək hüququ verir.