Pẹlu atomu nipasẹ awọn ọjọ-ori - apakan 3

Awoṣe Planetary Rutherford ti atomu sunmọ si otitọ ju Thomson's "pudding raisin" lọ. Sibẹsibẹ, igbesi aye ti ero yii jẹ ọdun meji nikan, ṣugbọn ṣaaju sisọ nipa arọpo kan, o to akoko lati ṣii awọn aṣiri atomiki atẹle.

1. Awọn isotopes hydrogen: prot iduroṣinṣin ati deuterium ati tritium ipanilara (Fọto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

iparun nla

Awari ti awọn lasan ti radioactivity, eyi ti o samisi awọn ibere ti unraveling awọn ohun ijinlẹ ti awọn atomu, lakoko ewu ipilẹ kemistri - awọn ofin ti periodicity. Ni igba diẹ, ọpọlọpọ awọn nkan ipanilara mejila ni a ṣe idanimọ. Diẹ ninu wọn ni awọn ohun-ini kemikali kanna, laibikita iwọn atomiki ti o yatọ, nigba ti awọn miiran, pẹlu ọpọ eniyan kanna, ni awọn ohun-ini oriṣiriṣi. Pẹlupẹlu, ni agbegbe tabili igbakọọkan nibiti o yẹ ki wọn gbe wọn nitori iwuwo wọn, ko si aaye ọfẹ ti o to lati gba gbogbo wọn. Tabili igbakọọkan ti sọnu nitori ọpọlọpọ awọn awari.

2. Apẹrẹ ti J.J. Thompson's 1911 mass spectrometer (Fọto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

atomiki iparun

Eyi jẹ 10-100 ẹgbẹrun. igba kere ju gbogbo atomu. Ti o ba jẹ pe arin atomu hydrogen kan yoo pọ si iwọn bọọlu kan pẹlu iwọn ila opin ti 1 cm kan ti a si fi si aarin aaye bọọlu kan, lẹhinna itanna kan (kere ju ori ori pin) yoo wa ni agbegbe ibi-afẹde kan. (ju 50 m).

Fere gbogbo ibi-atom ti atomiki ni ogidi ninu arin, fun apẹẹrẹ, fun goolu o fẹrẹ to 99,98%. Fojuinu cube kan ti irin yii ti o wọn awọn toonu 19,3. Gbogbo arin ti awọn ọta goolu ni iwọn didun lapapọ ti o kere ju 1/1000 mm3 (bọọlu kan ti o kere ju 0,1 mm). Nitorina, atomu ti ṣofo pupọ. Awọn olukawe gbọdọ ṣe iṣiro iwuwo ti ohun elo ipilẹ.

Ojutu si iṣoro yii ni a rii ni ọdun 1910 nipasẹ Frederick Soddy. O ṣe agbekalẹ imọran ti isotopes, i.e. orisirisi ti eroja kanna ti o yatọ si ni ibi-atomiki wọn (1). Bayi, o pe sinu ibeere miiran postulate ti Dalton – lati akoko ti on, a kemikali eroja yẹ ki o ko to gun ni awọn atomu ti awọn ibi-kanna. Idawọle isotopic, lẹhin ijẹrisi esiperimenta (apọju iwọn, 1911), tun jẹ ki o ṣee ṣe lati ṣalaye awọn iye ida ti awọn ọpọ atomiki ti diẹ ninu awọn eroja - pupọ julọ wọn jẹ awọn apopọ ti ọpọlọpọ awọn isotopes, ati atomiki ibi- jẹ aropin iwuwo ti gbogbo wọn (2).

Awọn ohun elo Ekuro

Omiiran ti awọn ọmọ ile-iwe Rutherford, Henry Moseley, ṣe iwadi awọn X-ray ti o jade nipasẹ awọn eroja ti a mọ ni 1913. Ko dabi awọn iwoye opiti ti o nipọn, spectrum X-ray jẹ irọrun pupọ - ipin kọọkan n gbejade awọn iwọn gigun meji nikan, awọn iwọn gigun ti eyiti o ni irọrun ni ibamu pẹlu idiyele ti aarin atomiki rẹ.

3. Ọkan ninu awọn ẹrọ X-ray ti Moseley lo (Fọto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Eyi jẹ ki o ṣee ṣe fun igba akọkọ lati ṣafihan nọmba gidi ti awọn eroja ti o wa tẹlẹ, ati lati pinnu iye wọn ti ko to lati kun awọn ela ninu tabili igbakọọkan (3).

Patiku ti o gbe idiyele rere ni a npe ni proton (proton Greek = akọkọ). Iṣoro miiran dide lẹsẹkẹsẹ. Iwọn ti proton jẹ isunmọ dogba si ẹyọkan kan. Lakoko atomiki iparun iṣuu soda pẹlu idiyele ti awọn ẹya 11 ni iwọn ti awọn ẹya 23? Bakan naa, dajudaju, jẹ ọran pẹlu awọn eroja miiran. Eyi tumọ si pe awọn patikulu miiran gbọdọ wa ninu arin ati pe ko ni idiyele. Ni ibẹrẹ, awọn onimọ-jinlẹ ro pe iwọnyi jẹ awọn protons ti o ni agbara pẹlu awọn elekitironi, ṣugbọn ni ipari o jẹri pe patiku tuntun kan han - neutroni (Latin neuter = didoju). Awari ti patiku alakọbẹrẹ yii (eyiti a npe ni “awọn biriki” ipilẹ ti o ṣe gbogbo ọrọ) ni a ṣe ni ọdun 1932 nipasẹ onimọ-jinlẹ Gẹẹsi James Chadwick.

Awọn protons ati neutroni le yipada si ara wọn. Awọn onimọ-jinlẹ ṣe akiyesi pe wọn jẹ awọn fọọmu ti patiku kan ti a pe ni arin (Nucleus Latin = nucleus).

Niwọn igba ti arin ti isotope ti o rọrun julọ ti hydrogen jẹ proton, o le rii pe William Prout ninu arosọ “hydrogen” rẹ be ti atomu ko ṣe aṣiṣe pupọ (wo: "Pẹlu atomu nipasẹ awọn ọjọ ori - apakan 2"; "Ọmọ-ẹrọ ọdọ" No. 8/2015). Ni ibẹrẹ, paapaa awọn iyipada wa laarin awọn orukọ proton ati “proton”.

4. Photocells ni ipari - ipilẹ ti iṣẹ wọn ni ipa fọtoelectric (Fọto: Ies / Wikimedia Commons)

Ko ohun gbogbo ti wa ni laaye

Awoṣe Rutherford ni akoko irisi rẹ ni “aibajẹ abirun”. Gẹgẹbi awọn ofin Maxwell ti electrodynamics (ti o jẹrisi nipasẹ igbesafefe redio ti n ṣiṣẹ tẹlẹ ni akoko yẹn), elekitironi ti n gbe ni Circle yẹ ki o tan igbi itanna eletiriki kan.

Bayi, o padanu agbara, bi abajade eyi ti o ṣubu lori arin. Labẹ awọn ipo deede, awọn ọta ko ni tan (awọn iwoye ti a ṣẹda nigbati o ba gbona si awọn iwọn otutu giga) ati pe a ko ṣe akiyesi awọn ajalu atomiki (igbesi aye ti a pinnu ti elekitironi jẹ kere ju miliọnu kan ti iṣẹju kan).

Awoṣe Rutherford ṣe alaye abajade ti idanwo pipinka patiku, ṣugbọn sibẹ ko baamu si otitọ.

Ni ọdun 1913, awọn eniyan "lo" si otitọ pe agbara ti o wa ninu microcosm ni a gba ati firanṣẹ ni iwọn eyikeyi, ṣugbọn ni awọn ipin, ti a npe ni quanta. Lori ipilẹ yii, Max Planck ṣe alaye iru awọn iwoye ti itankalẹ ti o jade nipasẹ awọn ara ti o gbona (1900), ati Albert Einstein (1905) awọn aṣiri ti ipa fọtoelectric, ie, itujade ti awọn elekitironi nipasẹ awọn irin ti o tan imọlẹ (4).

5. Aworan iyatọ ti awọn elekitironi lori kristali tantalum oxide kan ṣe afihan igbekalẹ asymmetrical rẹ (Fọto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Onímọ̀ sáyẹ́ǹsì ọmọ ọdún méjìdínlọ́gbọ̀n [28] ará Denmark, Niels Bohr, mú àwòkọ́ṣe Rutherford ti átọ́mù sàn. O daba pe awọn elekitironi gbe nikan ni awọn orbits ti o pade awọn ipo agbara kan. Ni afikun, awọn elekitironi kii ṣe itọda itankalẹ bi wọn ti nlọ, ati pe agbara nikan ni a gba ati itujade nigba ti o wa laarin awọn orbits. Awọn arosinu tako fisiksi kilasika, ṣugbọn awọn abajade ti a gba lori ipilẹ wọn (iwọn ti atom hydrogen ati gigun awọn ila ti irisi rẹ) yipada lati wa ni ibamu pẹlu idanwo naa. omo tuntun awoṣe atomu.

Laanu, awọn abajade jẹ wulo nikan fun atom hydrogen (ṣugbọn ko ṣe alaye gbogbo awọn akiyesi iwoye). Fun awọn eroja miiran, awọn abajade iṣiro ko ni ibamu si otitọ. Bayi, physicists ko sibẹsibẹ ni a tumq si awoṣe ti awọn atomu.

Awọn ohun ijinlẹ bẹrẹ lati ko soke lẹhin ọdun mọkanla. Iwe afọwọkọ oye dokita ti Ludwik de Broglie onimọ-jinlẹ Faranse ṣe pẹlu awọn ohun-ini igbi ti awọn patikulu ohun elo. O ti fihan tẹlẹ pe ina, ni afikun si awọn abuda aṣoju ti igbi (diffraction, refraction), tun huwa bi akojọpọ awọn patikulu - photons (fun apẹẹrẹ, awọn ikọlu rirọ pẹlu awọn elekitironi). Ṣugbọn awọn nkan ti o pọju? Imọran naa dabi ala pipe fun ọmọ-alade ti o fẹ lati di onimọ-jinlẹ. Bibẹẹkọ, ni ọdun 1927 a ṣe idanwo kan ti o jẹrisi idawọle de Broglie - ina elekitironi diffracted lori irin kirisita (5).

Nibo ni awọn atomu ti wa?

Bi gbogbo eniyan miran: Big Bang. Awọn onimọ-jinlẹ gbagbọ pe itumọ ọrọ gangan ni ida kan ti iṣẹju kan lati “ojuami odo” awọn protons, neutroni ati awọn elekitironi, iyẹn ni, awọn atomu ti o jẹ apakan, ni a ṣẹda. Awọn iṣẹju diẹ lẹhinna (nigbati agbaye ba tutu ati iwuwo ọrọ dinku), awọn arin ti dapọ pọ, ti o ṣe awọn ipilẹ ti awọn eroja miiran yatọ si hydrogen. Iwọn helium ti o tobi julọ ni a ṣẹda, bakanna bi awọn itọpa ti awọn eroja mẹta wọnyi. Nikan lẹhin 100 XNUMX Fun ọpọlọpọ ọdun, awọn ipo gba awọn elekitironi laaye lati sopọ mọ awọn ekuro - awọn atomiki akọkọ ti ṣẹda. Mo ni lati duro fun igba pipẹ fun atẹle naa. Awọn iyipada laileto ni iwuwo nfa dida awọn iwuwo, eyiti, bi wọn ti farahan, ṣe ifamọra ọrọ diẹ sii ati siwaju sii. Láìpẹ́, nínú òkùnkùn àgbáyé, àwọn ìràwọ̀ àkọ́kọ́ jóná.

Lẹ́yìn nǹkan bí bílíọ̀nù kan ọdún, díẹ̀ lára ​​wọn bẹ̀rẹ̀ sí kú. Ninu ilana wọn, wọn ṣe agbejade arin ti awọn ọta si isalẹ lati irin. Wàyí o, nígbà tí wọ́n kú, wọ́n tàn wọ́n ká gbogbo agbègbè náà, a sì bí ìràwọ̀ tuntun láti inú eérú. Pupọ julọ ninu wọn ni opin iyalẹnu kan. Lákòókò ìbúgbàù supernova, ọ̀pọ̀lọpọ̀ nǹkan ni wọ́n fi bo àwọn sẹ́ẹ̀lì náà débi pé a ti dá àwọn èròjà tó wúwo jù lọ pàápàá. Wọn ṣẹda awọn irawọ tuntun, awọn aye aye, ati lori diẹ ninu awọn agbaiye - igbesi aye.

Aye ti awọn igbi ọrọ ti jẹ ẹri. Ni ida keji, elekitironi kan ninu atomu ni a ka bi igbi ti o duro, nitori eyiti ko tan agbara. Awọn ohun-ini igbi ti awọn elekitironi gbigbe ni a lo lati ṣẹda awọn microscopes elekitironi, eyiti o jẹ ki o ṣee ṣe lati rii awọn ọta fun igba akọkọ (6). Ni awọn ọdun to nbọ, iṣẹ ti Werner Heisenberg ati Erwin Schrödinger (lori ipilẹ de Broglie hypothesis) jẹ ki o ṣee ṣe lati ṣe agbekalẹ awoṣe tuntun ti awọn ikarahun elekitironi ti atomu, patapata da lori iriri. Ṣugbọn iwọnyi jẹ awọn ibeere ti o kọja ipari ti nkan naa.

Awọn ala ti awọn alchemists wá otito

Awọn iyipada ipanilara adayeba, ninu eyiti awọn eroja tuntun ti ṣẹda, ni a ti mọ lati opin ọrundun 1919th. Ni XNUMX, nkan ti ẹda nikan ti ni agbara titi di isisiyi. Ernest Rutherford nigba asiko yi ti a npe ni ibaraenisepo ti patikulu pẹlu ọrọ. Lakoko awọn idanwo, o ṣe akiyesi pe awọn protons han bi abajade ti itanna pẹlu gaasi nitrogen.

Alaye nikan fun iṣẹlẹ naa ni iṣesi laarin awọn ekuro helium (patiku kan ati arin isotope ti nkan yii) ati nitrogen (7). Bi abajade, atẹgun ati hydrogen ti wa ni akoso (proton kan jẹ arin ti isotope ti o ni imọlẹ julọ). Ala alchemists ti transmutation ti ṣẹ. Ni awọn ewadun to nbọ, awọn eroja ti a ṣejade ti a ko rii ni iseda.

Awọn igbaradi ipanilara adayeba ti njade awọn patikulu a ko dara mọ fun idi eyi (idana Coulomb ti awọn ekuro eru ti tobi ju fun patiku ina lati sunmọ wọn). Awọn accelerators, fifun ni agbara nla si awọn arin ti awọn isotopes ti o wuwo, ti wa ni jade lati jẹ "awọn ileru alchemical" ninu eyiti awọn baba ti awọn kemists ode oni gbiyanju lati gba "ọba awọn irin" (8).

Lootọ, kini nipa goolu? Alchemists nigbagbogbo lo makiuri bi ohun elo aise fun iṣelọpọ rẹ. O gbọdọ jẹwọ pe ninu idi eyi wọn ni "imu" gidi kan. O je lati Makiuri mu pẹlu neutroni ni a iparun riakito ti o wa ni akọkọ goolu atọwọdọwọ. A ṣe afihan nkan irin naa ni ọdun 1955 ni Apejọ Atomic Geneva.

aworan 6. Awọn ọta lori dada ti goolu, han ninu aworan ni a Antivirus tunneling maikirosikopu.

7. Ero ti akọkọ eda eniyan transmutation ti awọn eroja

Awọn iroyin ti aṣeyọri ti awọn onimọ-jinlẹ paapaa fa aruwo kukuru lori awọn paṣipaarọ ọja iṣura agbaye, ṣugbọn awọn ijabọ atẹjade ti o ni itara ni a tako nipasẹ alaye nipa idiyele ti irin ti a ti wa ni ọna yii - o jẹ ọpọlọpọ igba diẹ gbowolori ju goolu adayeba lọ. Reactors yoo ko ropo awọn iyebiye irin mi. Ṣugbọn awọn isotopes ati awọn eroja atọwọda ti a ṣe ninu wọn (fun awọn idi oogun, agbara, iwadii imọ-jinlẹ) jẹ diẹ niyelori ju goolu lọ.

8. Cyclotron itan ti n ṣepọ awọn eroja diẹ akọkọ lẹhin kẹmika ni tabili igbakọọkan (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, August 1939)

Fun awọn onkawe ti o fẹ lati ṣawari awọn oran ti o dide ninu ọrọ naa, Mo ṣeduro awọn nkan lẹsẹsẹ nipasẹ Ọgbẹni Tomasz Sowiński. Han ni "Young Technics" ni 2006-2010 (labẹ awọn akọle "Bawo ni nwọn awari"). Awọn ọrọ naa tun wa lori oju opo wẹẹbu onkọwe ni:.

Yiyipo"Pẹlu ohun atomu lailai» Ó bẹ̀rẹ̀ pẹ̀lú ìránnilétí pé ọ̀rúndún tó kọjá ni a sábà máa ń pè ní ọjọ́ orí atomu. Nitoribẹẹ, ẹnikan ko le kuna lati ṣe akiyesi awọn aṣeyọri ipilẹ ti awọn onimọ-jinlẹ ati awọn onimọ-jinlẹ ti ọrundun XNUMXth ni ilana ti ọrọ. Bibẹẹkọ, ni awọn ọdun aipẹ, imọ nipa microcosm n pọ si ni iyara ati yiyara, awọn imọ-ẹrọ ti wa ni idagbasoke ti o fun laaye ni ifọwọyi awọn ọta ati awọn moleku kọọkan. Eyi fun wa ni ẹtọ lati sọ pe akoko gidi ti atomu ko ti de.