Эрин зууны туршид атомтай - 3-р хэсэг

Резерфордын атомын гаригийн загвар нь Томсоны "үзэмний идээ"-ээс илүү бодит байдалд ойр байсан. Гэсэн хэдий ч энэ үзэл баримтлалын амьдрал ердөө хоёр жил үргэлжилсэн боловч залгамжлагчийн тухай ярихаас өмнө дараагийн атомын нууцыг тайлах цаг болжээ.

1. Устөрөгчийн изотопууд: тогтвортой прот, дейтерий, цацраг идэвхт тритиум (зураг: БрюсБлаус/Викимедиа Commons).

цөмийн нуранги

Атомын нууцыг тайлах эхлэлийг тавьсан цацраг идэвхит үзэгдлийн нээлт нь химийн шинжлэх ухааны үндэс суурь болох үечилсэн байдлын хуулийг анхлан заналхийлж байв. Богино хугацаанд хэдэн арван цацраг идэвхт бодис илэрсэн. Тэдний зарим нь өөр өөр атомын масстай хэдий ч ижил химийн шинж чанартай байсан бол зарим нь ижил масстай өөр өөр шинж чанартай байв. Түүгээр ч зогсохгүй жингийн улмаас тэдгээрийг байрлуулах ёстой байсан үечилсэн хүснэгтийн хэсэгт бүгдийг нь багтаах хангалттай зай байхгүй байв. Нээлтүүдийн нурангиас болж үелэх систем алдагдсан.

2. Ж.Ж.Томпсоны 1911 оны масс спектрометрийн хуулбар (зураг: Жефф Дал/Викимедиа Commons)

Атомын цөм

Энэ бол 10-100 мянга. бүх атомаас хэд дахин бага. Хэрэв устөрөгчийн атомын цөмийг 1 см-ийн диаметртэй бөмбөгний хэмжээгээр томруулж, хөл бөмбөгийн талбайн төвд байрлуулсан бол электрон (зүүний толгойноос бага) хаалганы ойролцоо байх болно. (50 м-ээс дээш).

Атомын бараг бүх масс нь цөмд төвлөрдөг, жишээлбэл, алтны хувьд энэ нь бараг 99,98% байдаг. 19,3 тонн жинтэй энэ металлын шоо гэж төсөөлөөд үз дээ. Бүх зүйл атомын цөм алтны нийт эзэлхүүн нь 1/1000 мм3-аас бага (0,1 мм-ээс бага диаметртэй бөмбөг). Тиймээс атом нь аймшигтай хоосон юм. Уншигчид үндсэн материалын нягтыг тооцоолох ёстой.

Энэ асуудлын шийдлийг 1910 онд Фредерик Содди олсон. Тэрээр изотопын тухай ойлголтыг танилцуулсан, i.e. атомын массаараа ялгаатай ижил элементийн сортууд (1). Тиймээс тэрээр Далтоны өөр нэг постулатыг эргэлзээтэй болгов - тэр мөчөөс эхлэн химийн элемент нь ижил масстай атомуудаас бүрдэхээ больсон. Туршилтаар батлагдсаны дараа изотопын таамаглал (масс спектрограф, 1911) нь зарим элементийн атомын массын бутархай утгыг тайлбарлах боломжтой болсон - тэдгээрийн ихэнх нь олон изотопуудын холимог бөгөөд атомын масс нь бүх массын жигнэсэн дундаж юм (2).

Цөмийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд

Рутерфордын өөр нэг оюутан Хенри Мозли 1913 онд мэдэгдэж байгаа элементүүдээс ялгарах рентген туяаг судалжээ. Нарийн төвөгтэй оптик спектрүүдээс ялгаатай нь рентген туяаны спектр нь маш энгийн байдаг - элемент бүр нь зөвхөн хоёр долгионы уртыг ялгаруулдаг бөгөөд долгионы урт нь атомын цөмийн цэнэгтэй амархан холбоотой байдаг.

3. Мозелийн ашигладаг рентген аппаратуудын нэг (фото: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Энэ нь анх удаа одоо байгаа элементүүдийн бодит тоог танилцуулахаас гадна тэдгээрийн хэд нь үечилсэн хүснэгтийн цоорхойг нөхөхөд хангалтгүй байгааг тодорхойлох боломжийг олгосон (3).

Эерэг цэнэгтэй бөөмийг протон гэж нэрлэдэг (Грек протон = эхний). Өөр нэг асуудал тэр даруй гарч ирэв. Протоны масс ойролцоогоор 1 нэгжтэй тэнцүү байна. Харин атомын цөм 11 нэгж цэнэгтэй натри 23 нэгж масстай юу? Мэдээжийн хэрэг, бусад элементүүдийн хувьд ч мөн адил. Энэ нь цөмд цэнэггүй өөр бөөмс байх ёстой гэсэн үг юм. Эхэндээ физикчид эдгээр нь электронтой хүчтэй холбогдсон протонууд гэж таамаглаж байсан боловч эцэст нь шинэ бөөмс - нейтрон (Латин саармаг = саармаг) гарч ирсэн нь батлагдсан. Энэхүү энгийн бөөмсийг (бүх бодисыг бүрдүүлдэг үндсэн "тоосго" гэж нэрлэдэг) 1932 онд Английн физикч Жеймс Чадвик нээжээ.

Протон ба нейтронууд бие биедээ хувирч болно. Физикчид эдгээр нь нуклон (Латин цөм = цөм) гэж нэрлэгддэг бөөмийн хэлбэрүүд гэж таамаглаж байна.

Хамгийн энгийн устөрөгчийн изотопын цөм нь протон байдаг тул Уильям Проут өөрийн "устөрөгч" гэсэн таамаглалаас харж болно. атомын бүтээн байгуулалт тэр тийм ч буруу байсангүй ("Атомын хамт - 2-р хэсэг"-ийг үзнэ үү; "Залуу техникч" № 8/2015). Эхэндээ протон ба "протон" гэсэн нэрсийн хооронд хүртэл хэлбэлзэлтэй байсан.

4. Төгсгөлийн фотоэлелүүд - тэдний ажлын үндэс нь фотоэлектрик эффект юм (зураг: Ies / Wikimedia Commons)

Бүх зүйлийг зөвшөөрдөггүй

Рутерфордын загвар гарч ирэх үедээ "төрөлхийн гажигтай" байжээ. Максвеллийн электродинамикийн хуулиудын дагуу (тэр үед аль хэдийн ажиллаж байсан радио нэвтрүүлгээр батлагдсан) тойрог дотор хөдөлж буй электрон цахилгаан соронзон долгион цацруулах ёстой.

Тиймээс энэ нь эрчим хүчээ алдаж, үүний үр дүнд цөм дээр унадаг. Хэвийн нөхцөлд атомууд цацраг үүсгэдэггүй (өндөр температурт халах үед спектрүүд үүсдэг) ​​атомын сүйрэл ажиглагддаггүй (электронын тооцоолсон амьдрах хугацаа нь секундын саяны нэгээс бага байдаг).

Рутерфордын загвар нь бөөмсийг тараах туршилтын үр дүнг тайлбарласан боловч бодит байдалтай нийцээгүй хэвээр байв.

1913 онд хүмүүс бичил ертөнц дэх энергийг ямар ч хэмжээгээр биш, хэсэгчлэн авч, квант гэж нэрлэдэгт "дассан". Үүний үндсэн дээр Макс Планк халсан биетүүдээс ялгарах цацрагийн спектрийн мөн чанарыг (1900), Альберт Эйнштейн (1905) фотоэлектрик эффект, өөрөөр хэлбэл гэрэлтсэн металлаар электрон ялгарах нууцыг тайлбарласан (4).

5. Тантал ислийн талст дээрх электронуудын дифракцийн дүрс нь түүний тэгш хэмтэй бүтцийг харуулж байна (зураг: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Данийн 28 настай физикч Нильс Бор атомын Рутерфордын загварыг сайжруулжээ. Тэрээр электронууд зөвхөн тодорхой энергийн нөхцөлийг хангасан тойрог замд хөдөлдөг болохыг санал болгосон. Үүнээс гадна электронууд хөдөлж байхдаа цацраг ялгаруулдаггүй бөгөөд зөвхөн тойрог замд шилжих үед энерги шингэж, ялгардаг. Таамаглал нь сонгодог физиктэй зөрчилдөж байсан боловч тэдгээрийн үндсэн дээр олж авсан үр дүн (устөрөгчийн атомын хэмжээ, түүний спектрийн шугамын урт) туршилттай нийцэж байна. шинэ төрсөн атомын загвар.

Харамсалтай нь үр дүн нь зөвхөн устөрөгчийн атомын хувьд хүчинтэй байсан (гэхдээ бүх спектрийн ажиглалтыг тайлбарлаагүй). Бусад элементүүдийн хувьд тооцооллын үр дүн бодит байдалтай нийцэхгүй байна. Тиймээс физикчдэд атомын онолын загвар хараахан гараагүй байна.

Арван нэгэн жилийн дараа нууцууд ил болж эхлэв. Францын физикч Людвик де Бройлигийн докторын диссертаци нь материалын бөөмсийн долгионы шинж чанарыг хөндсөн. Гэрэл нь долгионы ердийн шинж чанараас (дифракц, хугарал) гадна бөөмс - фотонуудын цуглуулга (жишээлбэл, электронтой уян харимхай мөргөлдөөн) шиг ажилладаг нь аль хэдийн батлагдсан. Гэхдээ массын объект уу? Энэ таамаг физикч болохыг хүссэн ханхүүгийн хувьд хоосон мөрөөдөл мэт санагдав. Гэсэн хэдий ч 1927 онд де Бройлийн таамаглалыг баталгаажуулсан туршилт явуулсан - электрон туяа металл болор дээр сарнисан (5).

Атомууд хаанаас ирсэн бэ?

Бусад хүмүүсийн адил: Big Bang. Физикчид "тэг цэг"-ээс секундын хэдхэн минутын дотор протон, нейтрон, электронууд, өөрөөр хэлбэл бүрэлдэхүүн атомууд үүссэн гэж үздэг. Хэдэн минутын дараа (орчлон ертөнц хөргөж, бодисын нягт багасах үед) нуклонууд хоорондоо нийлж, устөрөгчөөс бусад элементүүдийн цөмийг үүсгэв. Хамгийн их хэмжээний гелий, мөн дараах гурван элементийн ул мөр үүссэн. Зөвхөн 100 XNUMX-ийн дараа олон жилийн туршид нөхцөл байдал нь электронуудыг цөмтэй холбох боломжийг олгосон - анхны атомууд үүссэн. Би дараагийнхыг удаан хүлээх хэрэгтэй болсон. Нягтын санамсаргүй хэлбэлзэл нь нягтрал үүсэхэд хүргэсэн бөгөөд тэдгээр нь гарч ирэх тусам илүү их бодисыг татдаг байв. Удалгүй орчлон ертөнцийн харанхуйд анхны одод дүрэлзэв.

Нэг тэрбум жилийн дараа тэдний зарим нь үхэж эхлэв. Тэдний явцад тэд үйлдвэрлэсэн атомын цөм төмөр хүртэл. Одоо тэд үхэхдээ тэдгээрийг бүс нутаг даяар тарааж, үнс нурамнаас шинэ одод мэндэлжээ. Тэдний хамгийн том нь гайхалтай төгсгөлтэй байсан. Хэт шинэ одны дэлбэрэлтийн үед бөөмүүд маш олон тоосонцороор бөмбөгдсөнөөс хамгийн хүнд элементүүд хүртэл үүссэн. Тэд шинэ од, гариг, зарим бөмбөрцөг дээр амьдрал үүсгэсэн.

Бодисын долгион байдаг нь батлагдсан. Нөгөөтэйгүүр, атом дахь электрон нь энерги ялгаруулдаггүй байнгын долгион гэж тооцогддог. Хөдөлгөөнт электронуудын долгионы шинж чанарыг электрон микроскоп бүтээхэд ашигласан нь атомыг анх удаа харах боломжтой болгосон (6). Дараагийн жилүүдэд Вернер Хайзенберг, Эрвин Шредингер нарын ажил (де Бройль таамаглал дээр үндэслэн) туршлага дээр үндэслэн атомын электрон бүрхүүлийн шинэ загварыг боловсруулах боломжтой болсон. Гэхдээ эдгээр нь нийтлэлийн хамрах хүрээнээс давсан асуултууд юм.

Алхимичдын мөрөөдөл биелэв

1919-р зууны сүүлчээс шинэ элементүүд үүсдэг байгалийн цацраг идэвхт өөрчлөлтүүд мэдэгдэж байсан. XNUMX-д, өнөөг хүртэл зөвхөн байгаль л чаддаг байсан зүйл. Эрнест Рутерфорд энэ хугацаанд бөөмс болон материйн харилцан үйлчлэлд оролцдог байв. Туршилтын үеэр тэрээр азотын хийн цацрагийн үр дүнд протонууд гарч ирснийг анзаарчээ.

Энэ үзэгдлийн цорын ганц тайлбар нь гелийн цөм (энэ элементийн изотопын бөөмс ба цөм) ба азот (7) хоорондын урвал байв. Үүний үр дүнд хүчилтөрөгч ба устөрөгч үүсдэг (протон нь хамгийн хөнгөн изотопын цөм юм). Алхимичдын хувиргах мөрөөдөл биеллээ. Дараагийн хэдэн арван жилд байгальд байдаггүй элементүүд гарч ирэв.

Байгалийн цацраг идэвхт бодис a-бөөмс ялгаруулах нь энэ зорилгод тохиромжгүй болсон (хүнд цөмийн Кулон саад нь хөнгөн бөөмс тэдэнд ойртоход хэтэрхий том байдаг). Хүнд изотопуудын цөмд асар их энерги өгдөг хурдасгуурууд нь өнөөгийн химичүүдийн өвөг дээдэс "металлын хаан"-ыг олж авах гэж оролдсон "алхимийн зуух" болж хувирав (8).

Ер нь алт яах вэ? Алхимичид мөнгөн усыг ихэвчлэн түүхий эд болгон ашигладаг байв. Энэ тохиолдолд тэд жинхэнэ "хамар" байсан гэдгийг хүлээн зөвшөөрөх ёстой. Цөмийн реакторт нейтроноор боловсруулсан мөнгөн уснаас анх хиймэл алтыг гаргаж авсан. Энэ металлыг 1955 онд Женевийн атомын бага хурлын үеэр үзүүлжээ.

Зураг 6. Сканнерийн хонгилын микроскопоор зурагт харагдах алтны гадаргуу дээрх атомууд.

7. Элементүүдийн хүний ​​анхны хувирлын схем

Физикчдийн ололт амжилтын тухай мэдээ дэлхийн хөрөнгийн бирж дээр богино хугацаанд шуугиан тарьсан ч ийм аргаар олборлосон хүдрийн үнэ нь байгалийн алтнаас хэд дахин илүү үнэтэй гэсэн мэдээлэлд няцаагдсан хэвлэлээр цацагдсан. Үнэт металлын уурхайг реакторууд орлохгүй. Гэхдээ тэдгээрт үйлдвэрлэсэн изотопууд болон хиймэл элементүүд (анагаах ухаан, эрчим хүч, шинжлэх ухааны судалгааны зорилгоор) нь алтнаас хамаагүй илүү үнэ цэнэтэй юм.

8. Үелэх системийн ураны дараах эхний хэдэн элементийг нийлэгжүүлдэг түүхэн циклотрон (Беркли, Калифорнийн их сургуулийн Лоуренсийн цацрагийн лаборатори, 1939 оны XNUMX-р сар)

Зохиолд дурдсан асуудлуудыг судлахыг хүсч буй уншигчдад би ноён Томаш Совинскийн цуврал нийтлэлийг санал болгож байна. 2006-2010 онд "Залуу техник"-д гарч ирсэн ("Тэд хэрхэн нээсэн" гэсэн гарчигтай). Текстүүдийг мөн зохиогчийн вэб сайтаас авах боломжтой: .

Дугуй"Олон зууны туршид атомтай» Тэрээр өнгөрсөн зууныг атомын эрин үе гэж нэрлэдэг байсныг сануулсаар эхэлсэн. Мэдээжийн хэрэг, XNUMX-р зууны физикч, химич нарын материйн бүтэц дэх үндсэн ололт амжилтыг тэмдэглэхгүй байхын аргагүй юм. Гэсэн хэдий ч сүүлийн жилүүдэд бичил ертөнцийн талаарх мэдлэг илүү хурдацтай нэмэгдэж, бие даасан атом, молекулуудыг удирдах боломжийг олгодог технологиуд хөгжиж байна. Энэ нь атомын жинхэнэ нас хараахан болоогүй гэж хэлэх эрхийг бидэнд олгож байна.