Gydag atom trwy'r oesoedd - rhan 3

Roedd model planedol Rutherford o'r atom yn nes at realiti na "pwdin rhesin" Thomson. Fodd bynnag, dim ond dwy flynedd a barhaodd bywyd y cysyniad hwn, ond cyn siarad am olynydd, mae'n bryd datrys y cyfrinachau atomig nesaf.

1. Isotopau hydrogen: prot sefydlog a dewteriwm a thritiwm ymbelydrol (llun: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

eirlithriad niwclear

Roedd darganfod ffenomen ymbelydredd, a oedd yn nodi dechrau datrys dirgelion yr atom, yn bygwth sail cemeg i ddechrau - cyfraith cyfnodoldeb. Mewn amser byr, nodwyd sawl dwsin o sylweddau ymbelydrol. Roedd gan rai ohonynt yr un priodweddau cemegol, er gwaethaf y màs atomig gwahanol, tra bod gan eraill, gyda'r un masau, briodweddau gwahanol. Ar ben hynny, yn ardal y tabl cyfnodol lle y dylent fod wedi'u gosod oherwydd eu pwysau, nid oedd digon o le am ddim i ddarparu ar gyfer pob un ohonynt. Collwyd y tabl cyfnodol oherwydd llu o ddarganfyddiadau.

2. Atgynhyrchiad o sbectromedr màs J.J. Thompson o 1911 (llun: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

niwclews atomig

Mae hyn yn 10-100 mil. gwaith yn llai na'r atom cyfan. Pe bai cnewyllyn atom hydrogen yn cael ei chwyddo i faint pêl â diamedr o 1 cm a'i gosod yng nghanol cae pêl-droed, yna byddai electron (llai na phen pin) yng nghyffiniau gôl (dros 50 m).

Mae bron holl fàs atom wedi'i grynhoi yn y niwclews, er enghraifft, ar gyfer aur mae bron yn 99,98%. Dychmygwch giwb o'r metel hwn sy'n pwyso 19,3 tunnell. I gyd niwclysau atomau mae gan aur gyfanswm cyfaint o lai na 1/1000 mm3 (pelen â diamedr o lai na 0,1 mm). Felly, mae'r atom yn ofnadwy o wag. Rhaid i ddarllenwyr gyfrifo dwysedd y deunydd sylfaen.

Canfuwyd yr ateb i'r broblem hon yn 1910 gan Frederick Soddy. Cyflwynodd y cysyniad o isotopau, h.y. amrywiaethau o'r un elfen sy'n gwahaniaethu yn eu màs atomig (1). Felly, cwestiynodd rhagdybiad arall o Dalton - o'r eiliad honno ymlaen, ni ddylai elfen gemegol gynnwys atomau o'r un màs mwyach. Roedd y ddamcaniaeth isotopig, ar ôl cadarnhad arbrofol (sbectrograff màs, 1911), hefyd yn ei gwneud hi'n bosibl esbonio gwerthoedd ffracsiynol masau atomig rhai elfennau - mae'r rhan fwyaf ohonynt yn gymysgeddau o lawer o isotopau, a màs atomig yw cyfartaledd pwysol y masau o bob un ohonynt (2).

Cydrannau Cnewyllyn

Astudiodd un arall o fyfyrwyr Rutherford, Henry Moseley, belydrau X a allyrrir gan elfennau hysbys ym 1913. Yn wahanol i sbectra optegol cymhleth, mae'r sbectrwm pelydr-X yn syml iawn - dim ond dwy donfedd y mae pob elfen yn ei allyrru, ac mae'n hawdd cydberthyn i'w tonfeddi â gwefr ei chnewyllyn atomig.

3. Un o'r peiriannau pelydr-X a ddefnyddir gan Moseley (llun: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Roedd hyn yn ei gwneud hi'n bosibl am y tro cyntaf i gyflwyno'r nifer wirioneddol o elfennau presennol, yn ogystal â phenderfynu faint ohonyn nhw sydd dal ddim yn ddigon i lenwi'r bylchau yn y tabl cyfnodol (3).

Gelwir gronyn sy'n cario gwefr bositif yn broton (proton Groeg = cyntaf). Cododd problem arall ar unwaith. Mae màs proton fwy neu lai'n hafal i 1 uned. tra niwclews atomig mae gan sodiwm â gwefr o 11 uned màs o 23 uned? Mae'r un peth, wrth gwrs, yn wir am elfennau eraill. Mae hyn yn golygu bod yn rhaid bod gronynnau eraill yn bresennol yn y niwclews a heb fod â gwefr. I ddechrau, cymerodd ffisegwyr fod y rhain yn brotonau wedi'u rhwymo'n gryf gydag electronau, ond yn y diwedd profwyd bod gronyn newydd yn ymddangos - y niwtron ( Lladin niwter = niwtral). Darganfuwyd y gronyn elfennol hwn (yr hyn a elwir yn "brics" sylfaenol sy'n ffurfio pob mater) ym 1932 gan y ffisegydd o Loegr James Chadwick.

Gall protonau a niwtronau droi i mewn i'w gilydd. Mae ffisegwyr yn dyfalu eu bod yn ffurfiau ar ronyn o'r enw niwcleon (cnewyllyn Lladin = niwclews).

Gan mai proton yw cnewyllyn isotop symlaf hydrogen, fe welir fod William Prout yn ei ddamcaniaeth "hydrogen" adeiladu atomig nid oedd yn rhy anghywir (gweler: “Gyda’r atom drwy’r oesoedd – rhan 2”; “Technegydd Ifanc” Rhif 8/2015). I ddechrau, roedd hyd yn oed amrywiadau rhwng yr enwau proton a "proton".

4. Ffotogelloedd ar y diwedd - sail eu gwaith yw'r effaith ffotodrydanol (llun: Ies / Wikimedia Commons)

Ni chaniateir popeth

Roedd gan fodel Rutherford ar adeg ei ymddangosiad "ddiffyg cynhenid". Yn ôl deddfau electrodynameg Maxwell (a gadarnhawyd gan ddarlledu radio sydd eisoes yn gweithredu ar yr adeg honno), dylai electron sy'n symud mewn cylch belydru ton electromagnetig.

Felly, mae'n colli egni, ac o ganlyniad mae'n disgyn ar y niwclews. O dan amodau arferol, nid yw atomau'n pelydru (mae sbectra'n cael ei ffurfio pan gaiff ei gynhesu i dymheredd uchel) ac ni welir trychinebau atomig (mae amcangyfrif oes electron yn llai na miliynfed o eiliad).

Esboniodd model Rutherford ganlyniad yr arbrawf gwasgaru gronynnau, ond nid oedd yn cyfateb i realiti o hyd.

Ym 1913, daeth pobl "i arfer" â'r ffaith bod ynni yn y microcosm yn cael ei gymryd a'i anfon nid mewn unrhyw swm, ond mewn dognau o'r enw quanta. Ar y sail hon, esboniodd Max Planck natur y sbectra o ymbelydredd a allyrrir gan gyrff wedi'u gwresogi (1900), ac eglurodd Albert Einstein (1905) gyfrinachau'r effaith ffotodrydanol, h.y., allyriadau electronau gan fetelau wedi'u goleuo (4).

5. Mae delwedd diffreithiant o electronau ar grisial tantalwm ocsid yn dangos ei strwythur cymesurol (llun: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Fe wnaeth y ffisegydd 28 oed o Ddenmarc, Niels Bohr, wella model Rutherford o'r atom. Awgrymodd mai dim ond mewn orbitau sy'n bodloni amodau egni penodol y mae electronau'n symud. Yn ogystal, nid yw electronau yn allyrru ymbelydredd wrth iddynt symud, a dim ond pan gaiff ei siyntio rhwng orbitau y caiff egni ei amsugno a'i allyrru. Roedd y tybiaethau yn gwrth-ddweud ffiseg glasurol, ond trodd y canlyniadau a gafwyd ar eu sail (maint yr atom hydrogen a hyd llinellau ei sbectrwm) yn gyson â'r arbrawf. newydd-anedig model atom.

Yn anffodus, dim ond ar gyfer yr atom hydrogen yr oedd y canlyniadau'n ddilys (ond nid oeddent yn egluro'r holl arsylwadau sbectrol). Ar gyfer elfennau eraill, nid oedd canlyniadau'r cyfrifiad yn cyfateb i realiti. Felly, nid oedd gan ffisegwyr fodel damcaniaethol o'r atom eto.

Dechreuodd dirgelion glirio ar ôl un mlynedd ar ddeg. Roedd traethawd hir doethuriaeth y ffisegydd Ffrengig Ludwik de Broglie yn ymdrin â phriodweddau tonnau gronynnau materol. Mae eisoes wedi'i brofi bod golau, yn ogystal â nodweddion nodweddiadol ton (difreithiant, plygiant), hefyd yn ymddwyn fel casgliad o ronynnau - ffotonau (er enghraifft, gwrthdrawiadau elastig ag electronau). Ond gwrthrychau torfol? Roedd yr awgrym yn ymddangos fel breuddwyd pibell i dywysog a oedd am ddod yn ffisegydd. Fodd bynnag, ym 1927 cynhaliwyd arbrawf a gadarnhaodd ddamcaniaeth de Broglie - roedd y pelydr electron yn diffraction ar grisial metel (5).

O ble daeth atomau?

Fel pawb arall: Big Bang. Mae ffisegwyr yn credu bod yn llythrennol mewn ffracsiwn o eiliad o'r "pwynt sero" protonau, niwtronau ac electronau, hynny yw, yr atomau cyfansoddol, eu ffurfio. Ychydig funudau'n ddiweddarach (pan oerodd y bydysawd a gostyngodd dwysedd y mater), unodd y niwcleonau â'i gilydd, gan ffurfio niwclysau elfennau heblaw hydrogen. Ffurfiwyd y swm mwyaf o heliwm, yn ogystal ag olion y tair elfen ganlynol. Dim ond ar ôl 100 XNUMX Am flynyddoedd lawer, roedd amodau'n caniatáu rhwymo electronau i niwclysau - ffurfiwyd yr atomau cyntaf. Roedd yn rhaid i mi aros am amser hir am yr un nesaf. Achosodd amrywiadau mewn dwysedd ar hap ffurfio dwyseddau, a oedd, fel y maent yn ymddangos, yn denu mwy a mwy o fater. Yn fuan, yn nhywyllwch y bydysawd, fe fflachiodd y sêr cyntaf.

Ar ôl tua biliwn o flynyddoedd, dechreuodd rhai ohonyn nhw farw. Yn eu cwrs cynhyrchasant niwclysau atomau lawr i haearn. Yn awr, wedi iddynt farw, hwy a'u lledaenodd ar hyd y rhanbarth, a chanwyd sêr newydd o'r lludw. Cafodd y mwyaf anferth ohonynt ddiweddglo ysblennydd. Yn ystod ffrwydradau uwchnofa, cafodd y niwclysau eu peledu â chymaint o ronynnau fel bod hyd yn oed yr elfennau trymaf wedi'u ffurfio. Fe wnaethon nhw ffurfio sêr, planedau newydd, ac ar rai globau - bywyd.

Mae bodolaeth tonnau mater wedi'i brofi. Ar y llaw arall, ystyriwyd bod electron mewn atom yn don sefydlog, oherwydd nid yw'n pelydru egni. Defnyddiwyd priodweddau tonnau electronau symudol i greu microsgopau electron, a oedd yn ei gwneud hi'n bosibl gweld atomau am y tro cyntaf (6). Yn y blynyddoedd dilynol, gwnaeth gwaith Werner Heisenberg ac Erwin Schrödinger (ar sail rhagdybiaeth de Broglie) hi'n bosibl datblygu model newydd o blisg electronau'r atom, yn seiliedig yn gyfan gwbl ar brofiad. Ond mae'r rhain yn gwestiynau y tu hwnt i gwmpas yr erthygl.

Daeth breuddwyd yr alcemyddion yn wir

Mae trawsnewidiadau ymbelydrol naturiol, lle mae elfennau newydd yn cael eu ffurfio, wedi bod yn hysbys ers diwedd y 1919eg ganrif. Yn XNUMX, rhywbeth y mae natur yn unig wedi gallu ei wneud hyd yn hyn. Yn ystod y cyfnod hwn roedd Ernest Rutherford yn ymwneud â rhyngweithiad gronynnau â mater. Yn ystod y profion, sylwodd fod y protonau yn ymddangos o ganlyniad i arbelydru â nwy nitrogen.

Yr unig esboniad am y ffenomen oedd yr adwaith rhwng niwclysau heliwm (gronyn a chnewyllyn isotop o'r elfen hon) a nitrogen (7). O ganlyniad, mae ocsigen a hydrogen yn cael eu ffurfio (proton yw cnewyllyn yr isotop ysgafnaf). Mae breuddwyd yr alcemyddion o drawsnewid wedi dod yn wir. Yn y degawdau dilynol, cynhyrchwyd elfennau nad ydynt i'w cael ym myd natur.

Nid oedd paratoadau ymbelydrol naturiol sy'n allyrru gronynnau-a bellach yn addas at y diben hwn (mae rhwystr Coulomb o niwclysau trwm yn rhy fawr i ronyn ysgafn fynd atynt). Trodd y cyflymyddion, sy'n rhoi egni enfawr i niwclei isotopau trwm, yn "ffwrnais alcemegol", lle ceisiodd hynafiaid cemegwyr heddiw gael "brenin metelau" (8).

A dweud y gwir, beth am aur? Roedd alcemyddion yn aml yn defnyddio mercwri fel deunydd crai ar gyfer ei gynhyrchu. Rhaid cyfaddef bod ganddyn nhw “drwyn” go iawn yn yr achos hwn. O fercwri a gafodd ei drin â niwtronau mewn adweithydd niwclear y cafwyd aur artiffisial gyntaf. Dangoswyd y darn metel ym 1955 yng Nghynhadledd Atomig Genefa.

Ffig. 6. Atomau ar wyneb aur, i'w gweld yn y ddelwedd mewn microsgop twnelu sganio.

7. Cynllun trawsnewidiad dynol cyntaf yr elfennau

Mae'r newyddion am gyflawniad ffisegwyr hyd yn oed wedi achosi cynnwrf byr ar gyfnewidfeydd stoc y byd, ond gwrthbrofwyd yr adroddiadau syfrdanol yn y wasg gan wybodaeth am bris y mwyn a gloddiwyd yn y modd hwn - mae'n llawer gwaith yn ddrytach nag aur naturiol. Ni fydd adweithyddion yn disodli'r mwynglawdd metel gwerthfawr. Ond mae'r isotopau a'r elfennau artiffisial a gynhyrchir ynddynt (at ddibenion meddygaeth, ynni, ymchwil wyddonol) yn llawer mwy gwerthfawr nag aur.

8. Seiclotron hanesyddol yn syntheseiddio'r ychydig elfennau cyntaf ar ôl wraniwm yn y tabl cyfnodol (Lawrdy Ymbelydredd Lawrence, Prifysgol California, Berkeley, Awst 1939)

Ar gyfer darllenwyr a hoffai archwilio'r materion a godwyd yn y testun, rwy'n argymell cyfres o erthyglau gan Mr. Tomasz Sowiński. Ymddangos yn "Technics Ifanc" yn 2006-2010 (o dan y pennawd "Sut y maent yn darganfod"). Mae'r testunau hefyd ar gael ar wefan yr awdur yn: .

Beicio"Gyda atom ers canrifoedd» Dechreuodd gyda nodyn atgoffa bod y ganrif ddiwethaf yn aml yn cael ei alw'n oedran yr atom. Wrth gwrs, ni all rhywun fethu â nodi cyflawniadau sylfaenol ffisegwyr a chemegwyr y XNUMXfed ganrif yn strwythur mater. Fodd bynnag, yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae gwybodaeth am y microcosm yn ehangu'n gyflymach ac yn gyflymach, mae technolegau'n cael eu datblygu sy'n caniatáu trin atomau a moleciwlau unigol. Mae hyn yn rhoi'r hawl i ni ddweud nad yw gwir oed yr atom wedi cyrraedd eto.