Cun átomo a través dos tempos - parte 3

O modelo planetario do átomo de Rutherford estaba máis próximo á realidade que o "pudim de pasas" de Thomson. Non obstante, a vida deste concepto durou só dous anos, pero antes de falar dun sucesor, é hora de desvelar os próximos segredos atómicos.

1. Isótopos de hidróxeno: prot estable e deuterio e tritio radioactivo (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

avalancha nuclear

O descubrimento do fenómeno da radioactividade, que marcou o inicio de desvelar os misterios do átomo, ameazou inicialmente a base da química: a lei da periodicidade. En pouco tempo identificáronse varias ducias de substancias radioactivas. Algúns deles tiñan as mesmas propiedades químicas, a pesar da diferente masa atómica, mentres que outros, coas mesmas masas, tiñan propiedades diferentes. Ademais, na zona da táboa periódica onde deberían colocarse debido ao seu peso, non había suficiente espazo libre para acomodalos a todos. A táboa periódica perdeuse debido a unha avalancha de descubrimentos.

2. Réplica do espectrómetro de masas de 1911 de J.J. Thompson (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

núcleo atómico

Isto é 10-100 mil. veces menor que o átomo enteiro. Se o núcleo dun átomo de hidróxeno fose agrandado ata o tamaño dunha pelota cun diámetro de 1 cm e colocado no centro dun campo de fútbol, ​​entón un electrón (menor que unha cabeza de alfinete) estaría nas proximidades dunha portería. (máis de 50 m).

Case toda a masa dun átomo está concentrada no núcleo, por exemplo, para o ouro é case o 99,98%. Imaxina un cubo deste metal que pesa 19,3 toneladas. Todos núcleos de átomos o ouro ten un volume total inferior a 1/1000 mm3 (unha bola cun diámetro inferior a 0,1 mm). Polo tanto, o átomo está terriblemente baleiro. Os lectores deben calcular a densidade do material base.

A solución a este problema foi atopada en 1910 por Frederick Soddy. Introduciu o concepto de isótopos, é dicir. variedades dun mesmo elemento que difiren na súa masa atómica (1). Así, puxo en cuestión outro postulado de Dalton -a partir dese momento, un elemento químico xa non debería estar formado por átomos da mesma masa-. A hipótese isotópica, despois da confirmación experimental (espectrógrafo de masas, 1911), tamén permitiu explicar os valores fraccionarios das masas atómicas dalgúns elementos - a maioría deles son mesturas de moitos isótopos, e masa atómica é a media ponderada das masas de todas elas (2).

Compoñentes do núcleo

Outro dos estudantes de Rutherford, Henry Moseley, estudou os raios X emitidos por elementos coñecidos en 1913. A diferenza dos complexos espectros ópticos, o espectro de raios X é moi sinxelo: cada elemento emite só dúas lonxitudes de onda, cuxas lonxitudes de onda se correlacionan facilmente coa carga do seu núcleo atómico.

3. Unha das máquinas de raios X utilizadas por Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Isto permitiu presentar por primeira vez o número real de elementos existentes, así como determinar cantos deles aínda non son suficientes para cubrir os ocos da táboa periódica (3).

Unha partícula que leva unha carga positiva chámase protón (grego protón = primeiro). Inmediatamente xurdiu outro problema. A masa dun protón é aproximadamente igual a 1 unidade. Mentres que núcleo atómico o sodio cunha carga de 11 unidades ten unha masa de 23 unidades? O mesmo, por suposto, ocorre con outros elementos. Isto significa que debe haber outras partículas presentes no núcleo e non ter carga. Inicialmente, os físicos asumiron que se trataba de protóns fortemente unidos con electróns, pero ao final comprobouse que apareceu unha nova partícula: o neutrón (latín neutro = neutro). O descubrimento desta partícula elemental (os chamados "ladrillos" básicos que forman toda a materia) foi feito en 1932 polo físico inglés James Chadwick.

Os protóns e os neutróns poden transformarse un no outro. Os físicos especulan que son formas dunha partícula chamada nucleón (en latín núcleo = núcleo).

Dado que o núcleo do isótopo máis simple do hidróxeno é un protón, pódese ver que William Prout na súa hipótese do "hidróxeno" construción atómica non estaba demasiado equivocado (ver: "Co átomo a través dos tempos - parte 2"; "Técnico novo" núm. 8/2015). Inicialmente, incluso houbo flutuacións entre os nomes de protón e "protón".

4. Fotocélulas no remate - a base do seu traballo é o efecto fotoeléctrico (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Non todo está permitido

O modelo de Rutherford no momento da súa aparición tiña un "defecto conxénito". Segundo as leis da electrodinámica de Maxwell (confirmadas pola radiodifusión que xa funcionaba nese momento), un electrón que se move nun círculo debería irradiar unha onda electromagnética.

Así, perde enerxía, polo que cae sobre o núcleo. En condicións normais, os átomos non irradian (os espectros fórmanse cando se quentan a altas temperaturas) e non se observan catástrofes atómicas (a vida útil estimada dun electrón é inferior á millonésima parte de segundo).

O modelo de Rutherford explicaba o resultado do experimento de dispersión de partículas, pero aínda así non se correspondía coa realidade.

En 1913, a xente "acostumouse" a que a enerxía no microcosmos se toma e envía non en cantidade ningunha, senón en porcións, chamadas quantas. Sobre esta base, Max Planck explicou a natureza dos espectros da radiación emitida polos corpos quentes (1900), e Albert Einstein (1905) os segredos do efecto fotoeléctrico, é dicir, a emisión de electróns polos metais iluminados (4).

5. A imaxe de difracción de electróns nun cristal de óxido de tántalo mostra a súa estrutura simétrica (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

O físico danés Niels Bohr, de 28 anos, mellorou o modelo do átomo de Rutherford. Suxeriu que os electróns móvense só en órbitas que cumpren certas condicións de enerxía. Ademais, os electróns non emiten radiación mentres se moven, e a enerxía só se absorbe e se emite cando se desvían entre órbitas. As suposicións contradín a física clásica, pero os resultados obtidos sobre a súa base (o tamaño do átomo de hidróxeno e a lonxitude das liñas do seu espectro) resultaron ser consistentes co experimento. recén nacido modelo atomu.

Desafortunadamente, os resultados foron válidos só para o átomo de hidróxeno (pero non explicaron todas as observacións espectrais). Para outros elementos, os resultados do cálculo non se corresponden coa realidade. Así, os físicos aínda non tiñan un modelo teórico do átomo.

Os misterios comezaron a aclararse despois de once anos. A tese de doutoramento do físico francés Ludwik de Broglie tratou das propiedades ondulatorias das partículas materiais. Xa se comprobou que a luz, ademais das características típicas dunha onda (difracción, refracción), tamén se comporta como unha colección de partículas: fotóns (por exemplo, colisións elásticas con electróns). Pero obxectos masivos? A suxestión parecía un soño para un príncipe que quería converterse en físico. Porén, en 1927 levouse a cabo un experimento que confirmou a hipótese de De Broglie: o feixe de electróns difractado nun cristal metálico (5).

De onde saíron os átomos?

Como todos: Big Bang. Os físicos cren que literalmente nunha fracción de segundo do "punto cero" formáronse protóns, neutróns e electróns, é dicir, os átomos constituíntes. Uns minutos despois (cando o universo arrefriou e diminuíu a densidade da materia), os nucleóns fusionáronse, formando os núcleos de elementos distintos do hidróxeno. Formouse a maior cantidade de helio, así como restos dos tres elementos seguintes. Só despois de 100 XNUMX Durante moitos anos, as condicións permitiron que os electróns se unisen aos núcleos: formáronse os primeiros átomos. Tiven que esperar moito tempo para o seguinte. As flutuacións aleatorias da densidade provocaron a formación de densidades que, a medida que aparecían, atraían cada vez máis materia. Axiña, na escuridade do universo, as primeiras estrelas estalaron.

Despois de preto de mil millóns de anos, algúns deles comezaron a morrer. No seu curso produciron núcleos de átomos ata o ferro. Agora, cando morreron, espalláronos por toda a rexión, e das cinzas naceron novas estrelas. O máis masivo deles tivo un final espectacular. Durante as explosións de supernovas, os núcleos foron bombardeados con tantas partículas que ata se formaron os elementos máis pesados. Formaron novas estrelas, planetas e nalgúns globos - a vida.

Probouse a existencia de ondas de materia. Por outra banda, un electrón nun átomo considerábase como unha onda estacionaria, polo que non irradia enerxía. As propiedades ondulatorias dos electróns en movemento utilizáronse para crear microscopios electrónicos, o que permitiu ver átomos por primeira vez (6). Nos anos seguintes, o traballo de Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger (sobre a base da hipótese de Broglie) permitiu desenvolver un novo modelo das capas electrónicas do átomo, totalmente baseado na experiencia. Pero estas son preguntas fóra do alcance do artigo.

O soño dos alquimistas fíxose realidade

As transformacións radioactivas naturais, nas que se forman novos elementos, coñécense dende finais do século XIX. En 1919, algo do que só a natureza foi capaz ata agora. Ernest Rutherford durante este período estivo implicado na interacción das partículas coa materia. Durante as probas, observou que os protóns apareceron como resultado da irradiación con gas nitróxeno.

A única explicación para o fenómeno foi a reacción entre os núcleos de helio (unha partícula e o núcleo dun isótopo deste elemento) e o nitróxeno (7). Como resultado, fórmanse osíxeno e hidróxeno (un protón é o núcleo do isótopo máis lixeiro). O soño de transmutación dos alquimistas fíxose realidade. Nas décadas seguintes producíronse elementos que non se atopan na natureza.

Os preparados radioactivos naturais que emitían partículas a xa non eran axeitados para este fin (a barreira coulombiana dos núcleos pesados ​​é demasiado grande para que unha partícula lixeira se achegue a eles). Os aceleradores, impartindo unha enorme enerxía aos núcleos dos isótopos pesados, resultaron ser "fornos alquímicos" nos que os antepasados ​​dos químicos actuais tentaban obter o "rei dos metais" (8).

En realidade, e o ouro? Os alquimistas utilizaron con máis frecuencia o mercurio como materia prima para a súa produción. Hai que admitir que neste caso tiñan un auténtico "nariz". Foi a partir do mercurio tratado con neutróns nun reactor nuclear onde se obtivo por primeira vez ouro artificial. A peza metálica mostrouse en 1955 na Conferencia Atómica de Xenebra.

Fig. 6. Átomos na superficie do ouro, visibles na imaxe nun microscopio de varrido túnel.

7. Esquema da primeira transmutación humana dos elementos

A noticia do logro dos físicos mesmo causou un breve revuelo nas bolsas mundiais, pero os sensacionais informes de prensa foron refutados pola información sobre o prezo do mineral extraído deste xeito: é moitas veces máis caro que o ouro natural. Os reactores non substituirán á mina de metais preciosos. Pero os isótopos e elementos artificiais producidos neles (para fins de medicina, enerxía, investigación científica) son moito máis valiosos que o ouro.

8. Ciclotrón histórico sintetizando os primeiros elementos despois do uranio na táboa periódica (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, agosto de 1939)

Para os lectores que queiran explorar as cuestións suscitadas no texto, recoméndolles unha serie de artigos do Sr. Tomasz Sowiński. Apareceu en "Young Technics" en 2006-2010 (baixo epígrafe "Como descubriron"). Os textos tamén están dispoñibles na páxina web do autor en: .

ciclo"Cun átomo para sempre» Comezou cun recordatorio de que o século pasado adoitaba chamarse a idade do átomo. Por suposto, non se pode deixar de notar os logros fundamentais dos físicos e químicos do século XNUMX na estrutura da materia. Porén, nos últimos anos, o coñecemento sobre o microcosmos está a expandirse cada vez máis rápido, estanse a desenvolver tecnoloxías que permiten manipular átomos e moléculas individuais. Isto dános dereito a dicir que a idade real do átomo aínda non chegou.