ატომთან ერთად საუკუნეებში - ნაწილი 3

რეზერფორდის ატომის პლანეტარული მოდელი რეალობასთან უფრო ახლოს იყო, ვიდრე ტომსონის „ქიშმიშის პუდინგი“. თუმცა, ამ კონცეფციის სიცოცხლე მხოლოდ ორ წელს გაგრძელდა, მაგრამ სანამ მემკვიდრეზე ვისაუბრებთ, დროა გავარკვიოთ შემდეგი ატომური საიდუმლოებები.

1. წყალბადის იზოტოპები: სტაბილური პროტი და დეიტერიუმი და რადიოაქტიური ტრიტიუმი (ფოტო: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

ბირთვული ზვავი

რადიოაქტიურობის ფენომენის აღმოჩენამ, რომელმაც დაიწყო ატომის საიდუმლოებების ამოხსნა, თავდაპირველად საფრთხე შეუქმნა ქიმიის საფუძველს - პერიოდულობის კანონს. მოკლე დროში გამოვლინდა რამდენიმე ათეული რადიოაქტიური ნივთიერება. ზოგიერთ მათგანს განსხვავებული ატომური მასის მიუხედავად ერთი და იგივე ქიმიური თვისებები ჰქონდა, ზოგს კი იგივე მასის განსხვავებული თვისებები გააჩნდა. უფრო მეტიც, პერიოდული ცხრილის მიდამოში, სადაც ისინი უნდა განთავსებულიყვნენ მათი წონის გამო, არ იყო საკმარისი თავისუფალი ადგილი ყველა მათგანისთვის. პერიოდული ცხრილი დაიკარგა აღმოჩენების ზვავის გამო.

2. J.J. Thompson-ის 1911 წლის მასის სპექტრომეტრის ასლი (ფოტო: ჯეფ დალი/Wikimedia Commons)

ატომური ბირთვი

ეს არის 10-100 ათასი. ჯერ უფრო მცირეა ვიდრე მთელი ატომ. თუ წყალბადის ატომის ბირთვი უნდა გაიზარდოს ბურთის ზომით, რომლის დიამეტრი 1 სმ და განთავსდეს ფეხბურთის მოედნის ცენტრში, მაშინ ელექტრონი (ქინძის თავზე პატარა) იქნება გოლის სიახლოვეს. (50 მ-ზე მეტი).

ატომის თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია ბირთვში, მაგალითად, ოქროსთვის ეს არის თითქმის 99,98%. წარმოიდგინეთ ამ ლითონის კუბი, რომელიც იწონის 19,3 ტონას. ყველაფერი ატომების ბირთვები ოქროს აქვს საერთო მოცულობა 1/1000 მმ3-ზე ნაკლები (ბურთი, რომლის დიამეტრი 0,1 მმ-ზე ნაკლებია). ამიტომ, ატომი საშინლად ცარიელია. მკითხველმა უნდა გამოთვალოს ძირითადი მასალის სიმკვრივე.

ამ პრობლემის გადაწყვეტა 1910 წელს იპოვა ფრედერიკ სოდიმ. მან შემოიტანა იზოტოპების ცნება, ე.ი. ერთი და იგივე ელემენტის ჯიშები, რომლებიც განსხვავდება მათი ატომური მასით (1). ამრიგად, მან ეჭვქვეშ დააყენა დალტონის კიდევ ერთი პოსტულატი – ამ მომენტიდან ქიმიური ელემენტი აღარ უნდა შედგებოდეს იმავე მასის ატომებისგან. იზოტოპურმა ჰიპოთეზამ, ექსპერიმენტული დადასტურების შემდეგ (მასპექტროგრაფი, 1911 წ.), ასევე შესაძლებელი გახადა ზოგიერთი ელემენტის ატომური მასის წილადის მნიშვნელობების ახსნა - მათი უმეტესობა მრავალი იზოტოპის ნარევებია და ატომური მასა არის ყველა მათგანის მასების საშუალო შეწონილი (2).

ბირთვის კომპონენტები

რეზერფორდის კიდევ ერთმა სტუდენტმა, ჰენრი მოსელიმ შეისწავლა 1913 წელს ცნობილი ელემენტების მიერ გამოსხივებული რენტგენის სხივები. რთული ოპტიკური სპექტრისგან განსხვავებით, რენტგენის სპექტრი ძალიან მარტივია - თითოეული ელემენტი ასხივებს მხოლოდ ორ ტალღის სიგრძეს, რომელთა ტალღის სიგრძე ადვილად კორელაციაშია მისი ატომის ბირთვის მუხტთან.

3. მოსელის მიერ გამოყენებული ერთ-ერთი რენტგენის აპარატი (ფოტო: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

ამან შესაძლებელი გახადა პირველად წარმოედგინა არსებული ელემენტების რეალური რაოდენობა, ასევე იმის დადგენა, თუ რამდენი მათგანი ჯერ კიდევ არ არის საკმარისი პერიოდულ სისტემაში არსებული ხარვეზების შესავსებად (3).

დადებითი მუხტის მატარებელ ნაწილაკს პროტონი ეწოდება (ბერძნული პროტონი = პირველი). მაშინვე გაჩნდა კიდევ ერთი პრობლემა. პროტონის მასა დაახლოებით 1 ერთეულის ტოლია. Ხოლო ატომის ბირთვი ნატრიუმს 11 ერთეული მუხტით აქვს 23 ერთეული? იგივე, რა თქმა უნდა, სხვა ელემენტების შემთხვევაშიც არის. ეს ნიშნავს, რომ ბირთვში უნდა არსებობდეს სხვა ნაწილაკები და არ ჰქონდეს მუხტი. თავდაპირველად, ფიზიკოსები ვარაუდობდნენ, რომ ეს იყო ძლიერად შეკრული პროტონები ელექტრონებთან, მაგრამ საბოლოოდ დადასტურდა, რომ გამოჩნდა ახალი ნაწილაკი - ნეიტრონი (ლათ. neuter = ნეიტრალური). ამ ელემენტარული ნაწილაკის (ე.წ. საბაზისო „აგური“, რომელიც მთელ მატერიას ქმნის) აღმოჩენა 1932 წელს ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯეიმს ჩადვიკმა გააკეთა.

პროტონები და ნეიტრონები შეიძლება გადაიქცეს ერთმანეთში. ფიზიკოსები ვარაუდობენ, რომ ეს არის ნაწილაკის ფორმები, რომელსაც ეწოდება ნუკლეონი (ლათინური ბირთვი = ბირთვი).

ვინაიდან წყალბადის უმარტივესი იზოტოპის ბირთვი არის პროტონი, ჩანს, რომ უილიამ პროუტი თავის „წყალბადის“ ჰიპოთეზაში ატომის კონსტრუქცია ის არც ისე შემცდარა (იხ.: „ატომთან ერთად საუკუნეებში - ნაწილი 2“; „ახალგაზრდა ტექნიკოსი“ No8/2015). თავდაპირველად, პროტონსა და „პროტონს“ შორის რყევებიც კი იყო.

4. ფოტოცელი ფინიშთან - მათი მუშაობის საფუძველია ფოტოელექტრული ეფექტი (ფოტო: Ies / Wikimedia Commons)

ყველაფერი არ არის დაშვებული

რეზერფორდის მოდელს გამოჩენის დროს „თანდაყოლილი დეფექტი“ ჰქონდა. მაქსველის ელექტროდინამიკის კანონების მიხედვით (დადასტურებულია იმ დროს უკვე მოქმედი რადიომაუწყებლობით), წრეში მოძრავი ელექტრონი უნდა ასხივებდეს ელექტრომაგნიტურ ტალღას.

ამრიგად, ის კარგავს ენერგიას, რის შედეგადაც ის ეცემა ბირთვს. ნორმალურ პირობებში ატომები არ ასხივებენ (სპექტრები წარმოიქმნება მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელებისას) და ატომური კატასტროფები არ შეინიშნება (ელექტრონის სავარაუდო სიცოცხლის ხანგრძლივობა წამის მემილიონედზე ნაკლებია).

რეზერფორდის მოდელმა ახსნა ნაწილაკების გაფანტვის ექსპერიმენტის შედეგი, მაგრამ მაინც არ შეესაბამებოდა რეალობას.

1913 წელს ხალხი „შეეჩვიეს“ იმ ფაქტს, რომ მიკროსამყაროში ენერგია აღებულია და იგზავნება არა რაიმე რაოდენობით, არამედ ნაწილებად, რომელსაც კვანტს უწოდებენ. ამის საფუძველზე მაქს პლანკმა ახსნა გახურებული სხეულების მიერ გამოსხივებული რადიაციის სპექტრების ბუნება (1900), ხოლო ალბერტ აინშტაინმა (1905) ახსნა ფოტოელექტრული ეფექტის საიდუმლოებები, ანუ ელექტრონების გამოსხივება განათებული ლითონებით (4).

5. ტანტალის ოქსიდის კრისტალზე ელექტრონების დიფრაქციული გამოსახულება აჩვენებს მის სიმეტრიულ სტრუქტურას (ფოტო: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 წლის დანიელმა ფიზიკოსმა ნილს ბორმა გააუმჯობესა რეზერფორდის ატომის მოდელი. მან შესთავაზა, რომ ელექტრონები მოძრაობდნენ მხოლოდ ორბიტებში, რომლებიც აკმაყოფილებენ გარკვეულ ენერგეტიკულ პირობებს. გარდა ამისა, ელექტრონები არ ასხივებენ რადიაციას მოძრაობისას და ენერგია მხოლოდ ორბიტებს შორის შუნტირებისას შეიწოვება და გამოიყოფა. ვარაუდები ეწინააღმდეგებოდა კლასიკურ ფიზიკას, მაგრამ მათ საფუძველზე მიღებული შედეგები (წყალბადის ატომის ზომა და მისი სპექტრის ხაზების სიგრძე) ექსპერიმენტთან შესაბამისობაში აღმოჩნდა. ახალშობილი მოდელი atomu.

სამწუხაროდ, შედეგები მართებული იყო მხოლოდ წყალბადის ატომისთვის (მაგრამ არ ახსნა ყველა სპექტრული დაკვირვება). სხვა ელემენტების შემთხვევაში, გაანგარიშების შედეგები არ შეესაბამებოდა რეალობას. ამრიგად, ფიზიკოსებს ჯერ არ ჰქონდათ ატომის თეორიული მოდელი.

საიდუმლოებების გარკვევა თერთმეტი წლის შემდეგ დაიწყო. ფრანგი ფიზიკოსის ლუდვიკ დე ბროლის სადოქტორო დისერტაცია ეხებოდა მატერიალური ნაწილაკების ტალღურ თვისებებს. უკვე დადასტურდა, რომ სინათლე, გარდა ტალღის ტიპიური მახასიათებლებისა (დიფრაქცია, გარდატეხა), ასევე იქცევა ნაწილაკების - ფოტონების კრებულივით (მაგალითად, ელასტიური შეჯახება ელექტრონებთან). მაგრამ მასობრივი ობიექტები? წინადადება სიზმარივით ჩანდა პრინცისთვის, რომელსაც სურდა ფიზიკოსი გამხდარიყო. თუმცა, 1927 წელს ჩატარდა ექსპერიმენტი, რომელმაც დაადასტურა დე ბროლის ჰიპოთეზა - ელექტრონული სხივი დიფრაქციული იყო ლითონის კრისტალზე (5).

საიდან გაჩნდა ატომები?

როგორც ყველა სხვა: დიდი აფეთქება. ფიზიკოსები თვლიან, რომ სიტყვასიტყვით წამის ნაწილად "ნულოვანი წერტილიდან" წარმოიქმნა პროტონები, ნეიტრონები და ელექტრონები, ანუ შემადგენელი ატომები. რამდენიმე წუთის შემდეგ (როდესაც სამყარო გაცივდა და მატერიის სიმკვრივე შემცირდა), ნუკლეონები შეერწყნენ ერთმანეთს და შექმნეს სხვა ელემენტების ბირთვები, გარდა წყალბადისა. წარმოიქმნა ჰელიუმის უდიდესი რაოდენობა, ასევე შემდეგი სამი ელემენტის კვალი. მხოლოდ 100 XNUMX-ის შემდეგ მრავალი წლის განმავლობაში, პირობები საშუალებას აძლევდა ელექტრონებს ბირთვებთან შეერთებოდნენ - ჩამოყალიბდა პირველი ატომები. დიდი ხანი მომიწია ლოდინი შემდეგისთვის. სიმკვრივის შემთხვევითი რყევები იწვევდა სიმკვრივეების წარმოქმნას, რომლებიც, როგორც გამოჩნდა, უფრო და უფრო მეტ მატერიას იზიდავდა. მალე, სამყაროს სიბნელეში, პირველი ვარსკვლავები აანთო.

დაახლოებით მილიარდი წლის შემდეგ ზოგიერთმა მათგანმა დაიწყო სიკვდილი. მათ კურსში მათ აწარმოეს ატომების ბირთვები რკინამდე. ახლა, როცა დაიღუპნენ, მთელ რეგიონში გაავრცელეს და ფერფლიდან ახალი ვარსკვლავები დაიბადნენ. მათგან ყველაზე მასიურს სანახაობრივი დასასრული ჰქონდა. სუპერნოვას აფეთქებების დროს ბირთვები იმდენი ნაწილაკებით დაბომბეს, რომ უმძიმესი ელემენტებიც კი წარმოიქმნა. მათ შექმნეს ახალი ვარსკვლავები, პლანეტები და ზოგიერთ გლობუსზე - სიცოცხლე.

დადასტურებულია მატერიის ტალღების არსებობა. მეორეს მხრივ, ატომში ელექტრონი განიხილებოდა, როგორც მუდმივი ტალღა, რის გამოც ის არ ასხივებს ენერგიას. მოძრავი ელექტრონების ტალღური თვისებები გამოყენებული იქნა ელექტრონული მიკროსკოპების შესაქმნელად, რამაც შესაძლებელი გახადა ატომების პირველად დანახვა (6). მომდევნო წლებში ვერნერ ჰაიზენბერგისა და ერვინ შროდინგერის მუშაობამ (დე ბროლის ჰიპოთეზის საფუძველზე) შესაძლებელი გახადა ატომის ელექტრონული გარსების ახალი მოდელის შემუშავება, მთლიანად გამოცდილებაზე დაფუძნებული. მაგრამ ეს კითხვები სცილდება სტატიის ფარგლებს.

ალქიმიკოსების ოცნება ახდა

ბუნებრივი რადიოაქტიური გარდაქმნები, რომლებშიც წარმოიქმნება ახალი ელემენტები, ცნობილია 1919-ე საუკუნის ბოლოდან. XNUMX-ში, რაც მხოლოდ ბუნებას შეეძლო აქამდე. ერნესტ რეზერფორდი ამ პერიოდში ნაწილაკების მატერიასთან ურთიერთქმედებით იყო დაკავებული. ტესტების დროს მან შენიშნა, რომ პროტონები გაჩნდა აზოტის გაზით დასხივების შედეგად.

ფენომენის ერთადერთი ახსნა იყო რეაქცია ჰელიუმის ბირთვებს (ნაწილაკი და ამ ელემენტის იზოტოპის ბირთვი) და აზოტს შორის (7). შედეგად წარმოიქმნება ჟანგბადი და წყალბადი (პროტონი არის ყველაზე მსუბუქი იზოტოპის ბირთვი). ალქიმიკოსების ოცნება ტრანსმუტაციაზე ახდა. მომდევნო ათწლეულებში წარმოიქმნა ისეთი ელემენტები, რომლებიც ბუნებაში არ არის ნაპოვნი.

ბუნებრივი რადიოაქტიური პრეპარატები, რომლებიც ასხივებენ a-ნაწილაკებს, აღარ იყო შესაფერისი ამ მიზნით (მძიმე ბირთვების კულონის ბარიერი ძალიან დიდია იმისთვის, რომ მსუბუქი ნაწილაკი მათ მიუახლოვდეს). ამაჩქარებლები, რომლებიც უზარმაზარ ენერგიას აძლევდნენ მძიმე იზოტოპების ბირთვებს, აღმოჩნდა „ალქიმიური ღუმელები“, რომლებშიც დღევანდელი ქიმიკოსების წინაპრები ცდილობდნენ „ლითონების მეფის“ მოპოვებას (8).

სინამდვილეში, რაც შეეხება ოქროს? ალქიმიკოსები ყველაზე ხშირად იყენებდნენ ვერცხლისწყალს, როგორც ნედლეულს მისი წარმოებისთვის. უნდა ვაღიაროთ, რომ ამ შემთხვევაში მათ ნამდვილი "ცხვირი" ჰქონდათ. ბირთვულ რეაქტორში ნეიტრონებით დამუშავებული ვერცხლისწყლისგან პირველად მიიღეს ხელოვნური ოქრო. ლითონის ნაჭერი აჩვენეს 1955 წელს ჟენევის ატომურ კონფერენციაზე.

სურ. 6. ატომები ოქროს ზედაპირზე, ჩანს გამოსახულებაზე სკანირების გვირაბის მიკროსკოპში.

7. ელემენტების პირველი ადამიანის ტრანსმუტაციის სქემა

ფიზიკოსების მიღწევების ამბებმა მსოფლიო ბირჟებზეც კი გამოიწვია მცირე აჟიოტაჟი, მაგრამ პრესის სენსაციური ცნობები უარყო ამ გზით მოპოვებული მადნის ფასის შესახებ ინფორმაციამ - ის ბევრჯერ ძვირია, ვიდრე ბუნებრივი ოქრო. რეაქტორები არ შეცვლის ძვირფასი ლითონის მაღაროს. მაგრამ მათში წარმოებული იზოტოპები და ხელოვნური ელემენტები (მედიცინის, ენერგეტიკის, სამეცნიერო კვლევის მიზნებისთვის) გაცილებით ღირებულია ვიდრე ოქრო.

8. ისტორიული ციკლოტრონი, რომელიც ასინთეზებს ურანის შემდეგ პირველ ელემენტებს პერიოდულ სისტემაში (ლოურენსის რადიაციული ლაბორატორია, კალიფორნიის უნივერსიტეტი, ბერკლი, 1939 წლის აგვისტო)

მკითხველს, ვისაც სურს შეისწავლოს ტექსტში წამოჭრილი საკითხები, ვურჩევ ბ-ნი ტომაშ სოვინსკის სტატიების სერიას. გამოჩნდა "ახალგაზრდა ტექნიკაში" 2006-2010 წლებში (სათაურით "როგორ აღმოაჩინეს"). ტექსტები ასევე ხელმისაწვდომია ავტორის ვებგვერდზე: .

ციკლი"ატომით საუკუნეების განმავლობაში» მან დაიწყო შეხსენებით, რომ გასულ საუკუნეს ხშირად ატომის ხანას უწოდებდნენ. რა თქმა უნდა, არ შეიძლება არ აღინიშნოს XNUMX საუკუნის ფიზიკოსებისა და ქიმიკოსების ფუნდამენტური მიღწევები მატერიის სტრუქტურაში. თუმცა, ბოლო წლებში მიკროკოსმოსის შესახებ ცოდნა უფრო და უფრო სწრაფად ფართოვდება, ვითარდება ტექნოლოგიები, რომლებიც ცალკეული ატომებისა და მოლეკულების მანიპულირების საშუალებას იძლევა. ეს გვაძლევს უფლებას ვთქვათ, რომ ატომის რეალური ასაკი ჯერ არ მოსულა.