با یک اتم در طول اعصار - قسمت 3

مدل سیاره ای رادرفورد از اتم به واقعیت نزدیکتر از "پودینگ کشمشی" تامسون بود. با این حال، عمر این مفهوم تنها دو سال به طول انجامید، اما قبل از صحبت در مورد جانشین، زمان آن است که اسرار اتمی بعدی را کشف کنیم.

1. ایزوتوپ های هیدروژن: پروت پایدار و دوتریوم و تریتیوم رادیواکتیو (عکس: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

بهمن هسته ای

کشف پدیده رادیواکتیویته، که آغازی برای کشف اسرار اتم بود، در ابتدا اساس شیمی - قانون تناوب را تهدید کرد. در مدت کوتاهی، چندین ده ماده رادیواکتیو شناسایی شد. برخی از آنها با وجود جرم اتمی متفاوت، خواص شیمیایی یکسانی داشتند، در حالی که برخی دیگر با جرم های یکسان، خواص متفاوتی داشتند. ضمناً در قسمتی از جدول تناوبی که به دلیل وزن باید در آن قرار می گرفتند، فضای خالی کافی برای جای دادن همه آنها وجود نداشت. جدول تناوبی به دلیل بهمن اکتشافات از بین رفت.

2. ماکت طیف‌سنج جرمی 1911 جی جی تامپسون (عکس: جف دال/ویکی‌مدیا کامانز)

هسته اتمی

این 10-100 هزار است. بار کوچکتر از کل اتم اگر قرار باشد هسته اتم هیدروژن به اندازه یک توپ به قطر 1 سانتی متر بزرگ شود و در مرکز زمین فوتبال قرار گیرد، آنگاه یک الکترون (کوچکتر از یک سر سوزن) در مجاورت دروازه قرار می گیرد. (بیش از 50 متر).

تقریباً کل جرم یک اتم در هسته متمرکز است، به عنوان مثال، برای طلا تقریباً 99,98٪ است. یک مکعب از این فلز را به وزن 19,3 تن تصور کنید. همه هسته اتم ها حجم کل طلا کمتر از 1/1000 میلی متر مکعب (یک توپ با قطر کمتر از 3 میلی متر) است. بنابراین، اتم به طرز وحشتناکی خالی است. خوانندگان باید چگالی مواد پایه را محاسبه کنند.

راه حل این مشکل در سال 1910 توسط فردریک سودی پیدا شد. او مفهوم ایزوتوپ ها را معرفی کرد، یعنی. انواع یک عنصر که از نظر جرم اتمی متفاوت هستند (1). بنابراین، او فرض دیگری از دالتون را زیر سوال برد - از آن لحظه به بعد، یک عنصر شیمیایی دیگر نباید از اتم هایی با همان جرم تشکیل شود. فرضیه ایزوتوپی، پس از تایید تجربی (طیف‌نگار جرمی، 1911)، همچنین امکان توضیح مقادیر کسری جرم‌های اتمی برخی از عناصر را فراهم کرد - بیشتر آنها مخلوطی از بسیاری از ایزوتوپ‌ها هستند، و جرم اتمی میانگین وزنی جرم همه آنها است (2).

اجزای هسته

یکی دیگر از شاگردان رادرفورد، هنری موزلی، اشعه ایکس ساطع شده از عناصر شناخته شده را در سال 1913 مطالعه کرد. برخلاف طیف های نوری پیچیده، طیف پرتو ایکس بسیار ساده است - هر عنصر تنها دو طول موج ساطع می کند که طول موج آنها به راحتی با بار هسته اتمی آن مرتبط است.

3. یکی از دستگاه های اشعه ایکس مورد استفاده Moseley (عکس: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

این امر برای اولین بار امکان ارائه تعداد واقعی عناصر موجود و همچنین تعیین اینکه چه تعداد از آنها هنوز برای پر کردن شکاف های جدول تناوبی کافی نیستند را ممکن کرد (3).

به ذره ای که بار مثبت دارد پروتون می گویند (یونانی پروتون = اول). بلافاصله مشکل دیگری به وجود آمد. جرم یک پروتون تقریباً برابر با 1 واحد است. در حالیکه هسته اتمی سدیم با بار 11 واحد جرمی 23 واحد دارد؟ البته در مورد سایر عناصر نیز همین گونه است. این بدان معنی است که باید ذرات دیگری در هسته وجود داشته باشند و بار نداشته باشند. در ابتدا، فیزیکدانان فرض کردند که اینها به شدت پروتون ها را با الکترون ها متصل می کنند، اما در پایان ثابت شد که یک ذره جدید ظاهر شد - نوترون (لاتین خنثی = خنثی). کشف این ذره بنیادی (به اصطلاح "آجرهای" اساسی که همه مواد را تشکیل می دهند) در سال 1932 توسط فیزیکدان انگلیسی جیمز چادویک انجام شد.

پروتون ها و نوترون ها می توانند به یکدیگر تبدیل شوند. فیزیکدانان حدس می زنند که آنها اشکال ذره ای به نام نوکلئون (لاتین هسته = هسته) هستند.

از آنجایی که هسته ساده ترین ایزوتوپ هیدروژن یک پروتون است، می توان دریافت که ویلیام پروت در فرضیه «هیدروژن» خود ساخت اتم او خیلی اشتباه نکرد (نگاه کنید به: "با اتم در طول اعصار - قسمت 2"؛ "تکنسین جوان" شماره 8/2015). در ابتدا، حتی نوساناتی بین نام های پروتون و پروتون وجود داشت.

4. فوتوسل ها در پایان - اساس کار آنها اثر فوتوالکتریک است (عکس: Ies / Wikimedia Commons)

همه چیز مجاز نیست

مدل رادرفورد در زمان ظهور یک "نقص مادرزادی" داشت. طبق قوانین الکترودینامیک ماکسول (که توسط پخش رادیویی که قبلاً در آن زمان کار می کرد تأیید شده است)، الکترونی که در یک دایره حرکت می کند باید یک موج الکترومغناطیسی تابش کند.

بنابراین، انرژی خود را از دست می دهد و در نتیجه روی هسته می افتد. در شرایط عادی، اتم‌ها تشعشع نمی‌کنند (طیف‌ها هنگام گرم شدن تا دمای بالا تشکیل می‌شوند) و فجایع اتمی مشاهده نمی‌شوند (طول عمر تخمینی یک الکترون کمتر از یک میلیونیم ثانیه است).

مدل رادرفورد نتیجه آزمایش پراکندگی ذرات را توضیح داد، اما همچنان با واقعیت مطابقت نداشت.

در سال 1913، مردم به این واقعیت "عادت کردند" که انرژی در عالم کوچک گرفته می شود و نه در هر مقدار، بلکه در بخش هایی که کوانتا نامیده می شود، گرفته می شود. بر این اساس، ماکس پلانک ماهیت طیف های تابش ساطع شده از اجسام گرم شده را توضیح داد (1900) و آلبرت انیشتین (1905) اسرار اثر فوتوالکتریک، یعنی گسیل الکترون ها توسط فلزات روشن را توضیح داد (4).

5. تصویر پراش الکترون ها بر روی یک کریستال اکسید تانتالیوم ساختار متقارن آن را نشان می دهد (عکس: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

نیلز بور، فیزیکدان 28 ساله دانمارکی، مدل اتم رادرفورد را بهبود بخشید. او پیشنهاد کرد که الکترون‌ها فقط در مدارهایی حرکت می‌کنند که شرایط انرژی خاصی را برآورده می‌کنند. علاوه بر این، الکترون ها در حین حرکت، تابش ساطع نمی کنند و انرژی تنها زمانی جذب و گسیل می شود که بین مدارها قرار بگیرند. مفروضات با فیزیک کلاسیک در تضاد بودند، اما نتایج به دست آمده بر اساس آنها (اندازه اتم هیدروژن و طول خطوط طیف آن) با آزمایش مطابقت داشت. تازه متولد شده مدل اتم.

متأسفانه، نتایج فقط برای اتم هیدروژن معتبر بودند (اما همه مشاهدات طیفی را توضیح ندادند). برای سایر عناصر، نتایج محاسبات با واقعیت مطابقت نداشت. بنابراین، فیزیکدانان هنوز یک مدل نظری از اتم نداشتند.

اسرار بعد از یازده سال شروع به روشن شدن کردند. رساله دکتری فیزیکدان فرانسوی لودویک دو بروگلی به خواص موجی ذرات ماده می پردازد. قبلاً ثابت شده است که نور، علاوه بر ویژگی های معمولی یک موج (پراش، انکسار)، همچنین مانند مجموعه ای از ذرات - فوتون ها (به عنوان مثال، برخورد الاستیک با الکترون ها) رفتار می کند. اما اجسام انبوه؟ این پیشنهاد برای شاهزاده ای که می خواست فیزیکدان شود مانند یک رویا به نظر می رسید. با این حال، در سال 1927 آزمایشی انجام شد که فرضیه دو بروگلی را تأیید کرد - پرتو الکترونی روی یک کریستال فلزی پراکنده شد (5).

اتم ها از کجا آمده اند؟

مثل بقیه: بیگ بنگ. فیزیکدانان معتقدند که به معنای واقعی کلمه در کسری از ثانیه از "نقطه صفر" پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها، یعنی اتم های تشکیل دهنده، تشکیل شده اند. چند دقیقه بعد (زمانی که کیهان سرد شد و چگالی ماده کاهش یافت)، نوکلئون ها با هم ادغام شدند و هسته عناصری غیر از هیدروژن را تشکیل دادند. بیشترین مقدار هلیوم و همچنین آثاری از سه عنصر زیر تشکیل شد. فقط بعد از 100 XNUMX برای سال‌های زیادی، شرایط اجازه می‌داد الکترون‌ها به هسته‌ها متصل شوند - اولین اتم‌ها تشکیل شدند. باید مدت زیادی منتظر بعدی بودم. نوسانات تصادفی در چگالی باعث تشکیل چگالی هایی می شود که هر چه ظاهر می شوند، ماده بیشتر و بیشتری را جذب می کنند. به زودی، در تاریکی جهان، اولین ستاره ها شعله ور شدند.

پس از حدود یک میلیارد سال، برخی از آنها شروع به مردن کردند. در دوره خود تولید کردند هسته اتم ها تا آهن اکنون که آنها مردند، آنها را در سراسر منطقه پخش کردند و ستارگان جدیدی از خاکستر متولد شدند. عظیم ترین آنها پایانی تماشایی داشت. در طول انفجارهای ابرنواختر، هسته ها با ذرات زیادی بمباران شدند که حتی سنگین ترین عناصر نیز تشکیل شدند. آنها ستاره ها، سیارات، و در برخی از کره های زمین - حیات را تشکیل دادند.

وجود امواج ماده ثابت شده است. از طرفی الکترون در یک اتم به عنوان موج ایستاده در نظر گرفته می شد که به دلیل آن انرژی تابش نمی کند. از خواص موجی الکترون های متحرک برای ایجاد میکروسکوپ های الکترونی استفاده شد که امکان دیدن اتم ها را برای اولین بار فراهم کرد (6). در سال‌های بعد، کار ورنر هایزنبرگ و اروین شرودینگر (بر اساس فرضیه دو بروگلی) امکان توسعه مدل جدیدی از لایه‌های الکترونی اتم را کاملاً مبتنی بر تجربه فراهم کرد. اما اینها سوالاتی هستند که از حوصله مقاله خارج است.

رویای کیمیاگران محقق شد

دگرگونی های رادیواکتیو طبیعی، که در آن عناصر جدید تشکیل می شوند، از اواخر قرن 1919 شناخته شده اند. در XNUMX، چیزی که تا کنون فقط طبیعت قادر به انجام آن بوده است. ارنست رادرفورد در این دوره درگیر برهمکنش ذرات با ماده بود. در طول آزمایشات، او متوجه شد که پروتون ها در نتیجه تابش گاز نیتروژن ظاهر می شوند.

تنها توضیح این پدیده واکنش بین هسته هلیوم (ذره و هسته ایزوتوپ این عنصر) و نیتروژن بود (7). در نتیجه، اکسیژن و هیدروژن تشکیل می شود (یک پروتون هسته سبک ترین ایزوتوپ است). رویای دگرگونی کیمیاگران محقق شد. در دهه های بعد عناصری تولید شد که در طبیعت یافت نمی شوند.

آماده‌سازی‌های رادیواکتیو طبیعی که ذرات a را ساطع می‌کنند دیگر برای این منظور مناسب نبودند (سد کولن هسته‌های سنگین آنقدر بزرگ است که یک ذره سبک به آنها نزدیک شود). شتاب‌دهنده‌هایی که انرژی عظیمی را به هسته‌های ایزوتوپ‌های سنگین می‌فرستند، «کوره‌های کیمیاگری» بودند که در آن‌ها اجداد شیمی‌دانان امروزی سعی کردند «سلطان فلزات» را به دست آورند (8).

در واقع طلا چطور؟ کیمیاگران اغلب از جیوه به عنوان ماده خام برای تولید آن استفاده می کردند. باید اعتراف کرد که در این مورد آنها یک "بینی" واقعی داشتند. طلای مصنوعی برای اولین بار از جیوه تصفیه شده با نوترون در یک راکتور هسته ای بدست آمد. این قطعه فلزی در سال 1955 در کنفرانس اتمی ژنو به نمایش درآمد.

شکل 6. اتم های روی سطح طلا که در تصویر در میکروسکوپ تونل زنی روبشی قابل مشاهده است.

7. طرح اولین تبدیل انسان از عناصر

خبر موفقیت فیزیکدانان حتی در بورس های جهانی سر و صدایی کوتاه ایجاد کرد، اما گزارش های مطبوعاتی پر شور با اطلاعاتی در مورد قیمت سنگ معدنی که به این روش استخراج می شود - گران تر از طلای طبیعی - تکذیب شد. راکتورها جایگزین معدن فلزات گرانبها نخواهند شد. اما ایزوتوپ ها و عناصر مصنوعی تولید شده در آنها (برای اهداف پزشکی، انرژی، تحقیقات علمی) بسیار ارزشمندتر از طلا هستند.

8. سیکلوترون تاریخی سنتز چند عنصر اول پس از اورانیوم در جدول تناوبی (آزمایشگاه تابش لارنس، دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، اوت 1939)

برای خوانندگانی که مایلند مسائل مطرح شده در متن را بررسی کنند، یک سری مقالات توسط آقای توماس سووینسکی را توصیه می کنم. در "تکنیک جوان" در سال 2006-2010 (تحت عنوان "چگونه آنها کشف کردند") ظاهر شد. متون همچنین در وب سایت نویسنده به آدرس: .

چرخه "با یک اتم برای قرن ها» او با یادآوری شروع کرد که قرن گذشته اغلب به عنوان عصر اتم خوانده می شد. البته، نمی توان به دستاوردهای اساسی فیزیکدانان و شیمیدانان قرن XNUMX در ساختار ماده اشاره کرد. با این حال، در سال‌های اخیر، دانش در مورد کیهان خرد سریع‌تر و سریع‌تر گسترش می‌یابد، فناوری‌هایی در حال توسعه هستند که امکان دستکاری اتم‌ها و مولکول‌ها را فراهم می‌کنند. این به ما این حق را می دهد که بگوییم سن واقعی اتم هنوز نرسیده است.