Ատոմով դարերի միջով - մաս 3

Ռադերֆորդի ատոմի մոլորակային մոդելն ավելի մոտ էր իրականությանը, քան Թոմսոնի «չամիչի պուդինգը»: Այնուամենայնիվ, այս հայեցակարգի կյանքը տևեց ընդամենը երկու տարի, բայց մինչ իրավահաջորդի մասին խոսելը, ժամանակն է բացահայտելու ատոմային հաջորդ գաղտնիքները:

1. Ջրածնի իզոտոպներ՝ կայուն պրոտ և դեյտերիում և ռադիոակտիվ տրիտում (լուսանկար՝ BruceBlaus/Wikimedia Commons)։

միջուկային ավալանշ

Ռադիոակտիվության ֆենոմենի հայտնաբերումը, որը նշանավորեց ատոմի առեղծվածների բացահայտման սկիզբը, սկզբում սպառնաց քիմիայի հիմքին՝ պարբերականության օրենքին։ Կարճ ժամանակում հայտնաբերվել են մի քանի տասնյակ ռադիոակտիվ նյութեր։ Նրանցից ոմանք ունեին նույն քիմիական հատկությունները, չնայած տարբեր ատոմային զանգվածին, իսկ մյուսները, նույն զանգվածներով, ունեին տարբեր հատկություններ: Ավելին, պարբերական աղյուսակի այն հատվածում, որտեղ դրանք պետք է տեղադրվեին իրենց քաշի պատճառով, բավարար ազատ տարածք չկար նրանց բոլորին տեղավորելու համար։ Պարբերական աղյուսակը կորել է հայտնագործությունների ձնահյուսի պատճառով։

2. Ջեյ Ջեյ Թոմսոնի 1911 թվականի զանգվածային սպեկտրոմետրի կրկնօրինակը (լուսանկար՝ Ջեֆ Դալ/Wikimedia Commons)

ատոմային միջուկ

Սա 10-100 հազ. անգամ ավելի փոքր է, քան ամբողջ ատոմը: Եթե ​​ջրածնի ատոմի միջուկը մեծացվի 1 սմ տրամագծով գնդակի չափով և տեղադրվի ֆուտբոլի դաշտի կենտրոնում, ապա էլեկտրոնը (կեռիկի գլխից փոքր) կլինի դարպասի մոտակայքում։ (ավելի քան 50 մ):

Ատոմի գրեթե ամբողջ զանգվածը կենտրոնացած է միջուկում, օրինակ՝ ոսկու համար այն գրեթե 99,98% է։ Պատկերացրեք այս մետաղի խորանարդը, որը կշռում է 19,3 տոննա: Բոլորը ատոմների միջուկներ ոսկին ունեն 1/1000 մմ3-ից պակաս ընդհանուր ծավալ (0,1 մմ-ից պակաս տրամագծով գնդիկ): Հետեւաբար, ատոմը սարսափելի դատարկ է: Ընթերցողները պետք է հաշվարկեն հիմնական նյութի խտությունը:

Այս խնդրի լուծումը գտել է 1910 թվականին Ֆրեդերիկ Սոդին։ Նա ներկայացրեց իզոտոպների հասկացությունը, այսինքն. նույն տարրի տեսակները, որոնք տարբերվում են իրենց ատոմային զանգվածով (1): Այսպիսով, նա կասկածի տակ դրեց Դալթոնի մեկ այլ պոստուլատ՝ այդ պահից սկսած քիմիական տարրն այլևս չպետք է բաղկացած լինի նույն զանգվածի ատոմներից։ Իզոտոպային հիպոթեզը, փորձնական հաստատումից հետո (զանգվածային սպեկտրոգրաֆ, 1911 թ.), նաև հնարավորություն տվեց բացատրել որոշ տարրերի ատոմային զանգվածների կոտորակային արժեքները. դրանց մեծ մասը բազմաթիվ իզոտոպների խառնուրդներ են, և ատոմային զանգված բոլորի զանգվածների կշռված միջինն է (2):

Միջուկի բաղադրիչներ

Ռադերֆորդի մեկ այլ ուսանող՝ Հենրի Մոզելին, ուսումնասիրել է 1913 թվականին հայտնի տարրերից արձակված ռենտգենյան ճառագայթները։ Ի տարբերություն բարդ օպտիկական սպեկտրների, ռենտգենյան սպեկտրը շատ պարզ է. յուրաքանչյուր տարր արձակում է ընդամենը երկու ալիքի երկարություն, որոնց ալիքի երկարությունները հեշտությամբ փոխկապակցված են իր ատոմային միջուկի լիցքի հետ:

3. Մոզելիի կողմից օգտագործվող ռենտգենյան սարքերից մեկը (լուսանկար՝ Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Սա հնարավորություն է տվել առաջին անգամ ներկայացնել գոյություն ունեցող տարրերի իրական թիվը, ինչպես նաև որոշել, թե դրանցից քանիսը դեռ բավարար չեն պարբերական աղյուսակի բացերը լրացնելու համար (3):

Դրական լիցք կրող մասնիկը կոչվում է պրոտոն (հունարեն պրոտոն = առաջին): Անմիջապես մեկ այլ խնդիր առաջացավ. Պրոտոնի զանգվածը մոտավորապես հավասար է 1 միավորի։ Մինչդեռ ատոմային միջուկ 11 միավոր լիցք ունեցող նատրիումը ունի 23 միավոր զանգված: Նույնը, իհարկե, մյուս տարրերի դեպքում է։ Սա նշանակում է, որ միջուկում պետք է լինեն այլ մասնիկներ, որոնք լիցք չունեն: Ի սկզբանե ֆիզիկոսները ենթադրում էին, որ դրանք էլեկտրոնների հետ ամուր կապված պրոտոններ են, բայց ի վերջո ապացուցվեց, որ հայտնվեց նոր մասնիկ՝ նեյտրոնը (լատիներեն չեզոք = չեզոք): Այս տարրական մասնիկի (այսպես կոչված հիմնական «աղյուսները», որոնք կազմում են ամբողջ նյութը) հայտնաբերումը 1932 թվականին կատարվեց անգլիացի ֆիզիկոս Ջեյմս Չադվիքի կողմից։

Պրոտոններն ու նեյտրոնները կարող են վերածվել միմյանց։ Ֆիզիկոսները ենթադրում են, որ դրանք նուկլեոն կոչվող մասնիկի ձևեր են (լատիներեն միջուկ = միջուկ):

Քանի որ ջրածնի ամենապարզ իզոտոպի միջուկը պրոտոն է, կարելի է տեսնել, որ Ուիլյամ Պրաուտն իր «ջրածնի» վարկածում. ատոմի կառուցվածքը նա այնքան էլ սխալ չէր (տե՛ս. «Ատոմը դարերի միջով - մաս 2», «Երիտասարդ տեխնիկ» թիվ 8/2015): Սկզբում նույնիսկ տատանումներ են եղել պրոտոն և «պրոտոն» անվանումների միջև։

4. Ֆոտոբջիջները վերջնամասում – նրանց աշխատանքի հիմքը ֆոտոէլեկտրական էֆեկտն է (լուսանկար՝ Ies / Wikimedia Commons)

Ամեն ինչ չէ, որ թույլատրված է

Ռեզերֆորդի մոդելն իր հայտնվելու պահին ունեցել է «բնածին արատ». Համաձայն Մաքսվելի էլեկտրադինամիկայի օրենքների (հաստատված է այդ ժամանակ արդեն գործող ռադիոհեռարձակմամբ), շրջանով շարժվող էլեկտրոնը պետք է ճառագի էլեկտրամագնիսական ալիք։

Այսպիսով, այն կորցնում է էներգիան, ինչի արդյունքում ընկնում է միջուկի վրա։ Նորմալ պայմաններում ատոմները չեն ճառագայթում (սպեկտրները ձևավորվում են բարձր ջերմաստիճանի տաքացման ժամանակ) և ատոմային աղետներ չեն նկատվում (էլեկտրոնի գնահատված կյանքի տևողությունը վայրկյանի մեկ միլիոներորդից պակաս է)։

Ռադերֆորդի մոդելը բացատրել է մասնիկների ցրման փորձի արդյունքը, սակայն, այնուամենայնիվ, չի համապատասխանում իրականությանը։

1913 թվականին մարդիկ «ընտելացել են» այն փաստին, որ միկրոտիեզերքում էներգիան վերցվում և ուղարկվում է ոչ թե ինչ-որ քանակով, այլ մասերով, որոնք կոչվում են քվանտա։ Այս հիման վրա Մաքս Պլանկը բացատրեց տաքացած մարմիններից արձակվող ճառագայթման սպեկտրների բնույթը (1900), իսկ Ալբերտ Էյնշտեյնը (1905) լուսաէլեկտրական էֆեկտի գաղտնիքները, այսինքն՝ լուսավորված մետաղների կողմից էլեկտրոնների արտանետումը (4):

5. Էլեկտրոնների դիֆրակցիոն պատկերը տանտալի օքսիդի բյուրեղի վրա ցույց է տալիս դրա սիմետրիկ կառուցվածքը (լուսանկար՝ Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28-ամյա դանիացի ֆիզիկոս Նիլս Բորը կատարելագործել է Ռադերֆորդի ատոմի մոդելը։ Նա առաջարկեց, որ էլեկտրոնները շարժվեն միայն այն ուղեծրերով, որոնք բավարարում են որոշակի էներգիայի պայմաններ: Բացի այդ, էլեկտրոնները շարժման ընթացքում ճառագայթում չեն արձակում, և էներգիան կլանում և արտանետվում է միայն ուղեծրերի միջև շունտով: Ենթադրությունները հակասում էին դասական ֆիզիկային, սակայն դրանց հիման վրա ստացված արդյունքները (ջրածնի ատոմի չափը և նրա սպեկտրի գծերի երկարությունը) պարզվեց, որ համահունչ էին փորձին։ նոր ծնված մոդելը atomu.

Ցավոք, արդյունքները վավեր էին միայն ջրածնի ատոմի համար (բայց չբացատրեցին բոլոր սպեկտրային դիտարկումները)։ Մնացած տարրերի համար հաշվարկի արդյունքները չեն համապատասխանում իրականությանը: Այսպիսով, ֆիզիկոսները դեռ չունեին ատոմի տեսական մոդել։

Առեղծվածները սկսեցին պարզվել տասնմեկ տարի անց: Ֆրանսիացի ֆիզիկոս Լյուդվիկ դը Բրոլյեի դոկտորական ատենախոսությունը վերաբերում էր նյութական մասնիկների ալիքային հատկություններին։ Արդեն ապացուցված է, որ լույսը, բացի ալիքի բնորոշ հատկանիշներից (դիֆրակցիա, բեկում), իրեն պահում է նաև մասնիկների՝ ֆոտոնների հավաքածուի պես (օրինակ՝ առաձգական բախումներ էլեկտրոնների հետ)։ Բայց զանգվածային օբյեկտներ. Առաջարկությունը կարծես երազ էր մի արքայազնի համար, ով ցանկանում էր ֆիզիկոս դառնալ: Այնուամենայնիվ, 1927 թ.-ին իրականացվեց փորձ, որը հաստատեց դը Բրոյլի վարկածը` էլեկտրոնային ճառագայթը ցրվել է մետաղական բյուրեղի վրա (5):

Որտեղի՞ց են առաջացել ատոմները:

Ինչպես բոլորը՝ Մեծ պայթյուն: Ֆիզիկոսները կարծում են, որ բառացիորեն վայրկյանի մի մասում «զրոյական կետից» առաջացել են պրոտոնները, նեյտրոնները և էլեկտրոնները, այսինքն՝ բաղկացուցիչ ատոմները։ Մի քանի րոպե անց (երբ տիեզերքը սառեց, և նյութի խտությունը նվազեց), նուկլեոնները միաձուլվեցին՝ ձևավորելով ջրածնից բացի այլ տարրերի միջուկներ։ Առաջացել է հելիումի ամենամեծ քանակությունը, ինչպես նաև հետևյալ երեք տարրերի հետքերը. Միայն 100 XNUMX-ից հետո Երկար տարիներ պայմանները թույլ էին տալիս էլեկտրոններին կապվել միջուկների հետ. ձևավորվեցին առաջին ատոմները: Ես ստիպված էի երկար սպասել հաջորդին։ Խտության պատահական տատանումները առաջացրել են խտությունների ձևավորում, որոնք, ինչպես երևում էին, ավելի ու ավելի շատ նյութ էին գրավում։ Շուտով տիեզերքի մթության մեջ բռնկվեցին առաջին աստղերը։

Մոտ մեկ միլիարդ տարի անց նրանցից ոմանք սկսեցին մահանալ։ Իրենց ընթացքում նրանք արտադրեցին ատոմների միջուկներ մինչև երկաթ: Այժմ, երբ նրանք մահացան, նրանք տարածեցին դրանք ամբողջ տարածաշրջանում, և մոխիրներից նոր աստղեր ծնվեցին: Դրանցից ամենազանգվածը դիտարժան ավարտ ունեցավ։ Գերնոր աստղերի պայթյունների ժամանակ միջուկներն այնքան շատ մասնիկներով էին ռմբակոծվում, որ նույնիսկ ամենածանր տարրերն էին գոյանում։ Նրանք ձևավորեցին նոր աստղեր, մոլորակներ, իսկ որոշ գլոբուսների վրա՝ կյանք:

Ապացուցված է նյութի ալիքների առկայությունը։ Մյուս կողմից, ատոմում էլեկտրոնը համարվում էր կանգնած ալիք, որի պատճառով այն էներգիա չի ճառագայթում։ Շարժվող էլեկտրոնների ալիքային հատկությունները օգտագործվել են էլեկտրոնային մանրադիտակներ ստեղծելու համար, ինչը հնարավորություն է տվել առաջին անգամ տեսնել ատոմները (6): Հետագա տարիներին Վերներ Հայզենբերգի և Էրվին Շրյոդինգերի աշխատանքը (դե Բրոլիի վարկածի հիման վրա) հնարավորություն տվեց մշակել ատոմի էլեկտրոնային թաղանթների նոր մոդել՝ ամբողջովին հիմնված փորձի վրա։ Բայց դրանք հոդվածի շրջանակներից դուրս հարցեր են:

Ալքիմիկոսների երազանքն իրականացավ

Բնական ռադիոակտիվ փոխակերպումները, որոնցում ձևավորվում են նոր տարրեր, հայտնի են 1919-րդ դարի վերջից։ XNUMX-ում մի բան, որին միայն բնությունն է ընդունակ եղել մինչ այժմ: Էռնեստ Ռադերֆորդը այս ժամանակահատվածում զբաղվում էր մասնիկների փոխազդեցությամբ նյութի հետ։ Փորձարկումների ժամանակ նա նկատել է, որ պրոտոններն առաջացել են ազոտային գազով ճառագայթման արդյունքում։

Երևույթի միակ բացատրությունը հելիումի միջուկների (մասնիկ և այս տարրի իզոտոպի միջուկ) և ազոտի (7) միջև ռեակցիան էր։ Արդյունքում առաջանում են թթվածին և ջրածին (պրոտոնը ամենաթեթև իզոտոպի միջուկն է)։ Ալքիմիկոսների փոխակերպման երազանքն իրականացավ։ Հետագա տասնամյակներում արտադրվել են այնպիսի տարրեր, որոնք բնության մեջ չեն հանդիպում։

Ա-մասնիկներ արձակող բնական ռադիոակտիվ պատրաստուկներն այլևս պիտանի չէին այդ նպատակով (ծանր միջուկների կուլոնյան պատնեշը չափազանց մեծ է, որպեսզի թույլ մասնիկը մոտենա դրանց)։ Ծանր իզոտոպների միջուկներին հսկայական էներգիա հաղորդելով արագացուցիչները, պարզվեց, որ «ալքիմիական վառարաններ» են, որոնցում այսօրվա քիմիկոսների նախնիները փորձել են ձեռք բերել «մետաղների թագավորին» (8)։

Փաստորեն, իսկ ոսկին: Ալքիմիկոսները ամենից հաճախ օգտագործում էին սնդիկը որպես հումք դրա արտադրության համար։ Պետք է խոստովանել, որ այս դեպքում նրանք իսկական «քիթ» ունեին։ Հենց միջուկային ռեակտորում նեյտրոններով մշակված սնդիկից առաջին անգամ ստացվեց արհեստական ​​ոսկի: Մետաղական կտորը ցուցադրվել է 1955 թվականին Ժնևի ատոմային կոնֆերանսում։

Նկար 6. Ատոմներ ոսկու մակերեսի վրա, որոնք տեսանելի են պատկերում սկանավորող թունելային մանրադիտակով:

7. Տարրերի առաջին մարդկային փոխակերպման սխեմա

Ֆիզիկոսների նվաճման մասին լուրը նույնիսկ կարճ իրարանցում առաջացրեց համաշխարհային ֆոնդային բորսաներում, սակայն մամուլի աղմկահարույց հաղորդագրությունները հերքվեցին այս կերպ արդյունահանվող հանքաքարի գնի մասին տեղեկությունները. այն շատ անգամ թանկ է բնական ոսկուց։ Ռեակտորները չեն փոխարինի թանկարժեք մետաղների հանքին. Բայց դրանցում արտադրված իզոտոպներն ու արհեստական ​​տարրերը (բժշկության, էներգետիկայի, գիտական ​​հետազոտությունների նպատակներով) շատ ավելի արժեքավոր են, քան ոսկին։

8. Պատմական ցիկլոտրոնը, որը սինթեզում է պարբերական աղյուսակում ուրանից հետո առաջին մի քանի տարրերը (Լոուրենսի ճառագայթային լաբորատորիա, Կալիֆորնիայի համալսարան, Բերքլի, օգոստոս 1939 թ.)

Ընթերցողների համար, ովքեր կցանկանան ուսումնասիրել տեքստում բարձրացված խնդիրները, ես խորհուրդ եմ տալիս պարոն Տոմաշ Սովինսկու հոդվածների շարքը: Հայտնվել է «Young Technics»-ում 2006-2010 թվականներին («Ինչպես հայտնաբերեցին» խորագրի ներքո): Տեքստերը հասանելի են նաև հեղինակի կայքում՝ .

ցիկլ»Ատոմով ընդմիշտՆա սկսեց հիշեցումով, որ անցյալ դարը հաճախ անվանում էին ատոմի դար: Իհարկե, չի կարելի չնկատել XNUMX-րդ դարի ֆիզիկոսների և քիմիկոսների հիմնարար ձեռքբերումները նյութի կառուցվածքում: Այնուամենայնիվ, վերջին տարիներին միկրոտիեզերքի մասին գիտելիքներն ավելի ու ավելի արագ են ընդլայնվում, մշակվում են տեխնոլոգիաներ, որոնք թույլ են տալիս մանիպուլյացիայի ենթարկել առանձին ատոմներ և մոլեկուլներ: Սա մեզ իրավունք է տալիս ասելու, որ ատոմի իրական տարիքը դեռ չի հասել։