Kalawan hiji atom ngaliwatan umur - bagian 3

Modél planet atom Rutherford langkung caket kana kanyataan tibatan "pudding kismis" Thomson. Sanajan kitu, kahirupan konsép ieu lumangsung ngan dua taun, tapi saméméh ngobrol ngeunaan panerusna, éta waktu pikeun unravel Rahasia atom salajengna.

1. Isotop hidrogén: prot stabil sarta deuterium sarta tritium radioaktif (poto: BruceBlaus / Wikimedia Commons).

longsoran nuklir

Kapanggihna fenomena radioaktivitas, nu ditandaan awal unraveling nu mysteries atom, mimitina ngancam dasar kimia - hukum periodicity. Dina waktu anu singget, sababaraha belasan zat radioaktif diidentifikasi. Sababaraha di antarana miboga sipat kimia anu sarua, sanajan massa atom béda, sedengkeun nu sejenna, kalawan massa anu sarua, miboga sipat béda. Sumawona, di daérah tabel périodik dimana aranjeunna kedah disimpen kusabab beuratna, teu aya rohangan bébas anu cekap pikeun nampung aranjeunna sadayana. Tabel periodik leungit alatan longsoran panemuan.

2. Replika spéktrométer massa 1911 JJ Thompson (poto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

inti atom

Ieu 10-100 rébu. kali leuwih leutik batan sakabéh atom. Upami inti atom hidrogén digedékeun saukuran bal kalayan diaméter 1 cm sareng ditempatkeun di tengah lapangan maén bal, maka hiji éléktron (leuwih leutik ti pinhead) bakal aya di sabudeureun gawang. (leuwih 50 m).

Ampir sakabéh massa hiji atom ngumpul dina inti, contona, pikeun emas ampir 99,98%. Bayangkeun kubus logam ieu beuratna 19,3 ton. Sadayana inti atom emas boga total volume kirang ti 1/1000 mm3 (bal kalayan diaméter kirang ti 0,1 mm). Ku alatan éta, atom pisan kosong. Pamiarsa kedah ngitung dénsitas bahan dasar.

Solusi pikeun masalah ieu kapanggih dina 1910 ku Frederick Soddy. Anjeunna ngawanohkeun konsép isotop, i.e. variétas tina unsur sarua nu béda dina massa atom maranéhanana (1). Ku kituna, anjeunna nyebatkeun dalil Dalton anu sanés - ti saprak éta, unsur kimia henteu kedah diwangun deui ku atom-atom anu massana sami. Hipotesis isotopik, saatos konfirmasi ékspérimén (spektrograf massa, 1911), ogé ngamungkinkeun pikeun ngajelaskeun nilai-nilai fraksional massa atom sababaraha unsur - kalolobaanana mangrupikeun campuran tina seueur isotop, sareng massa atom nyaéta rata-rata beurat tina massa sakabéhna (2).

Komponén kernel

Murid Rutherford anu sanés, Henry Moseley, ngulik sinar-X anu dipancarkeun ku unsur anu dikenal dina 1913. Beda jeung spéktra optik kompléks, spéktrum sinar-X basajan pisan - unggal unsur ngan ukur ngaluarkeun dua panjang gelombang, panjang gelombangna gampang dipatalikeun jeung muatan inti atomna.

3. Salah sahiji mesin sinar-X anu digunakeun ku Moseley (poto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Hal ieu ngamungkinkeun pikeun kahiji kalina nampilkeun jumlah nyata elemen aya, kitu ogé pikeun nangtukeun sabaraha di antarana masih teu cukup pikeun ngeusian sela dina tabel periodik (3).

Partikel nu mawa muatan positif disebut proton (basa Yunani proton = kahiji). Masalah sejen langsung timbul. Massa proton kira-kira sarua jeung 1 unit. Sedengkeun inti atom natrium kalawan muatan 11 hijian boga massa 23 hijian? Sarua, tangtosna, kasus sareng elemen sanés. Ieu ngandung harti yén kudu aya partikel séjén hadir dina inti tur teu boga muatan. Mimitina, fisikawan nganggap yén ieu proton kabeungkeut kuat kalawan éléktron, tapi tungtungna ieu dibuktikeun yén partikel anyar mucunghul - neutron (Latin netral = nétral). Kapanggihna partikel dasar ieu (nu disebut "bata" dasar nu nyusun sagala zat) dijieun dina 1932 ku fisikawan Inggris James Chadwick.

Proton jeung neutron bisa robah jadi silih. Fisikawan ngaduga yén éta téh wangun partikel nu disebut nukléon (inti Latin = inti).

Kusabab inti isotop hidrogén pangbasajanna nyaéta proton, bisa ditempo yén William Prout dina hipotésis "hidrogen" na. konstruksi atom anjeunna teu salah teuing (tingali: "Kalayan atom ngaliwatan umur - bagian 2"; "Teknisi ngora" No. 8/2015). Dina awalna, malah aya fluctuations antara ngaran proton jeung "proton".

4. Photocells dina finish - dasar karya maranéhanana nyaéta pangaruh photoelectric (poto: Ies / Wikimedia Commons)

Henteu sadayana diidinan

Modél Rutherford dina waktos penampilanna ngagaduhan "cacat bawaan". Numutkeun hukum éléktrodinamika Maxwell (dikonfirmasi ku siaran radio anu tos dianggo dina waktos éta), éléktron anu gerak dina bunderan kedah mancarkeun gelombang éléktromagnétik.

Ku kituna, éta leungiteun tanaga, salaku hasilna ragrag kana inti. Dina kaayaan normal, atom teu radiate (spéktra kabentuk nalika dipanaskeun nepi ka suhu luhur) jeung bencana atom teu katalungtik (estimasi umur hiji éléktron kirang ti sajuta detik).

Modél Rutherford ngajelaskeun hasil tina ékspérimén paburencay partikel, tapi tetep teu luyu jeung kanyataan.

Dina 1913, jalma "ngabiasakeun" kanyataan yén énergi dina mikrokosmos dicandak sareng dikirim henteu dina kuantitas naon waé, tapi dina porsi, anu disebut quanta. Atas dasar ieu, Max Planck ngajelaskeun sifat spéktra radiasi anu dipancarkeun ku awak anu dipanaskeun (1900), sareng Albert Einstein (1905) rahasia éfék fotoéléktrik, nyaéta émisi éléktron ku logam bercahya (4).

5. Gambar difraksi éléktron dina kristal tantalum oksida nembongkeun struktur simetris na (poto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Fisikawan Denmark 28 taun Niels Bohr ningkatkeun modél atom Rutherford. Anjeunna ngusulkeun yén éléktron gerak ngan dina orbit nu minuhan kaayaan énergi nu tangtu. Sajaba ti éta, éléktron teu ngaluarkeun radiasi nalika aranjeunna gerak, sarta énergi ngan diserep jeung dipancarkeun nalika shunted antara orbit. Asumsi-asumsi éta bertentangan sareng fisika klasik, tapi hasil anu dicandak dumasar kana dasarna (ukuran atom hidrogén sareng panjang garis spéktrumna) tétéla konsisten sareng percobaan. anyar lahir model atom.

Hanjakal, hasilna ngan valid pikeun atom hidrogén (tapi teu ngajelaskeun sakabéh observasi spéktral). Pikeun elemen séjén, hasil itungan teu luyu jeung kanyataan. Ku kituna, fisikawan teu acan gaduh model téoritis atom.

Misteri mimiti mupus sanggeus sabelas taun. Disertasi doktor fisikawan Perancis Ludwik de Broglie nguruskeun sipat gelombang partikel bahan. Eta geus kabuktian yen cahaya, sajaba ti ciri has gelombang (difraksi, réfraksi), ogé behaves kawas kumpulan partikel - foton (contona, tabrakan elastis jeung éléktron). Tapi objék massa? Saran éta sigana sapertos impian pipa pikeun pangeran anu hoyong janten fisikawan. Sanajan kitu, dina 1927 hiji percobaan dilumangsungkeun nu dikonfirmasi hipotesa de Broglie urang - sinar éléktron difraksi dina kristal logam (5).

Ti mana asalna atom?

Kawas dulur sejenna: Big Bang. Fisikawan yakin yén sacara harfiah dina fraksi sadetik tina "titik enol" proton, neutron jeung éléktron, nyaéta, atom konstituén, kabentuk. Sababaraha menit ti harita (nalika jagat raya niiskeun jeung dénsitas materi turun), nukléon ngahiji, ngabentuk inti unsur salain hidrogén. Jumlah pangbadagna hélium kabentuk, kitu ogé ngambah tilu elemen handap. Ngan saatos 100 XNUMX Mangtaun-taun, kaayaan ngamungkinkeun éléktron ngabeungkeut inti - atom munggaran kabentuk. Kuring kungsi ngadagoan lila pikeun nu salajengna. Fluktuasi acak dina dénsitas ngabalukarkeun formasi dénsitas, nu, sabab mucunghul, katarik beuki loba zat. Moal lami deui, dina gelap jagat raya, béntang munggaran flared up.

Sanggeus kira-kira samilyar taun, sababaraha di antarana mimiti maot. Dina kursus maranéhna dihasilkeun inti atom turun kana beusi. Ayeuna, nalika aranjeunna maot, aranjeunna sumebar ka sakuliah wewengkon, sarta béntang anyar lahir tina lebu. Anu paling ageung di antarana ngagaduhan tungtung anu spektakuler. Dina mangsa ngabeledugna supernova, inti dibombardir ku saloba partikel nu malah kabentuk unsur-unsur pangbeuratna. Aranjeunna ngawangun béntang anyar, planét, sarta dina sababaraha globes - kahirupan.

Ayana gelombang materi geus kabuktian. Di sisi séjén, éléktron dina atom dianggap salaku gelombang nangtung, alatan nu teu radiate énergi. Sipat gelombang éléktron anu gerak dipaké pikeun nyieun mikroskop éléktron, anu ngamungkinkeun pikeun ningali atom pikeun kahiji kalina (6). Dina taun-taun saterusna, karya Werner Heisenberg jeung Erwin Schrödinger (dina dasar hipotesa de Broglie) ngamungkinkeun pikeun ngembangkeun model anyar cangkang éléktron atom, sagemblengna dumasar kana pangalaman. Tapi ieu patarosan saluareun ruang lingkup artikel.

Impian para alkémis janten kanyataan

Transformasi radioaktif alam, dimana unsur-unsur anyar kabentuk, geus dipikawanoh saprak ahir abad ka-1919. Dina ka-XNUMX, hiji hal anu ngan ukur alam anu sanggup dugi ka ayeuna. Ernest Rutherford dina mangsa ieu kalibet dina interaksi partikel jeung zat. Salila tés, anjeunna perhatikeun yén proton muncul salaku hasil tina iradiasi sareng gas nitrogén.

Hiji-hijina katerangan pikeun fenomena ieu nyaéta réaksi antara inti hélium (partikel jeung inti isotop unsur ieu) jeung nitrogén (7). Hasilna, oksigén jeung hidrogén kabentuk (proton nyaéta inti isotop panghampangna). Impian para alkémis ngeunaan transmutasi parantos kawujud. Dina dasawarsa-dasawarsa di handap ieu, unsur-unsur anu teu kapanggih di alam dihasilkeun.

Olahan radioaktif alami anu ngaluarkeun partikel a henteu cocog deui pikeun tujuan ieu (panghalang Coulomb inti beurat ageung teuing pikeun partikel cahaya anu ngadeukeutan aranjeunna). Akselerator, masihan énergi anu ageung kana inti isotop beurat, tétéla janten "tungku alkimia" dimana karuhun ahli kimia dinten ayeuna nyobian kéngingkeun "raja logam" (8).

Sabenerna, kumaha upami emas? Alkémis paling sering ngagunakeun raksa salaku bahan baku pikeun produksi na. Ieu kudu ngaku yen dina hal ieu maranéhanana kungsi nyata "irung". Ieu ti raksa diolah jeung neutron dina reaktor nuklir nu emas jieunan munggaran diala. Potongan logam dipidangkeun dina 1955 dina Konférénsi Atom Jenéwa.

Gbr 6. Atom dina beungeut emas, katingali dina gambar dina mikroskop tunneling scanning.

7. Skéma tina transmutation manusa munggaran unsur

Warta ngeunaan prestasi fisikawan malah ngabalukarkeun aduk pondok dina bursa saham dunya, tapi laporan pencét sensasional anu refuted ku informasi ngeunaan harga bijih ditambang ku cara kieu - éta sababaraha kali leuwih mahal batan emas alam. Réaktor moal ngagantikeun tambang logam mulia. Tapi isotop jeung unsur jieunan dihasilkeun dina eta (pikeun kaperluan ubar, tanaga, panalungtikan ilmiah) jauh leuwih berharga ti emas.

8. Siklotron bersejarah nyintésis sababaraha unsur munggaran sanggeus uranium dina tabel périodik (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, Agustus 1939)

Pikeun pamiarsa anu hoyong ngajalajah masalah anu diangkat dina téks, kuring nyarankeun séri tulisan ku Mr. Tomasz Sowiński. Muncul dina "Teknik Young" dina 2006-2010 (dina judul "Kumaha aranjeunna kapanggih"). Téks ogé sayogi dina situs wéb pangarang di:.

Siklus"Kalawan atom pikeun umur» Manéhna mimitian ku panginget yén abad kaliwat ieu mindeng disebut umur atom. Tangtosna, urang moal tiasa gagal nyatet prestasi dasar fisikawan sareng kimiawan abad ka-XNUMX dina struktur zat. Nanging, dina taun-taun ayeuna, pangaweruh ngeunaan mikrokosmos ngembang langkung gancang sareng langkung gancang, téknologi dikembangkeun anu ngamungkinkeun ngamanipulasi atom sareng molekul individu. Hal ieu méré urang hak pikeun nyebutkeun yén umur sabenerna atom teu acan anjog.