S atomem v průběhu věků - část 3

Rutherfordův planetární model atomu byl blíže realitě než Thomsonův „rozinkový pudink“. Životnost tohoto konceptu však trvala pouhé dva roky, ale než se začne mluvit o nástupci, je čas odhalit další atomová tajemství.

1. Izotopy vodíku: stabilní prot a deuterium a radioaktivní tritium (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

jaderná lavina

Objev fenoménu radioaktivity, který znamenal počátek odhalování záhad atomu, zpočátku ohrožoval základ chemie – zákon periodicity. V krátké době bylo identifikováno několik desítek radioaktivních látek. Některé z nich měly stejné chemické vlastnosti navzdory rozdílné atomové hmotnosti, zatímco jiné se stejnými hmotnostmi měly odlišné vlastnosti. Navíc v oblasti periodické tabulky, kam měly být vzhledem ke své váze umístěny, nebylo dost volného místa, aby se tam všechny vešly. Periodická tabulka byla ztracena kvůli lavině objevů.

2. Replika hmotnostního spektrometru J.J. Thompsona z roku 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Atomové jádro

Jedná se o 10-100 tisíc. krát menší než celý atom. Pokud by se jádro atomu vodíku zvětšilo na velikost koule o průměru 1 cm a umístilo se do středu fotbalového hřiště, pak by byl elektron (menší než špendlíková hlavička) v blízkosti branky. (nad 50 m).

Téměř celá hmota atomu je soustředěna v jádře, například u zlata je to téměř 99,98 %. Představte si krychli tohoto kovu o hmotnosti 19,3 tuny. Všechno jádra atomů zlato má celkový objem menší než 1/1000 mm3 (kulička o průměru menším než 0,1 mm). Proto je atom strašně prázdný. Čtenáři musí vypočítat hustotu základního materiálu.

Řešení tohoto problému našel v roce 1910 Frederick Soddy. Zavedl pojem izotopy, tzn. odrůdy stejného prvku, které se liší svou atomovou hmotností (1). Tím zpochybnil další Daltonův postulát – od té chvíle by se chemický prvek již neměl skládat z atomů stejné hmotnosti. Izotopová hypotéza po experimentálním potvrzení (hmotnostní spektrograf, 1911) také umožnila vysvětlit zlomkové hodnoty atomových hmotností některých prvků - většinou jde o směsi mnoha izotopů a atomová hmotnost je vážený průměr hmotností všech z nich (2).

Komponenty jádra

Další z Rutherfordových studentů, Henry Moseley, studoval v roce 1913 rentgenové záření emitované známými prvky. Na rozdíl od komplexních optických spekter je rentgenové spektrum velmi jednoduché – každý prvek vyzařuje pouze dvě vlnové délky, jejichž vlnové délky snadno korelují s nábojem jeho atomového jádra.

3. Jeden z rentgenových přístrojů, které používá Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

To umožnilo poprvé prezentovat skutečný počet existujících prvků a také určit, kolik z nich stále nestačí k zaplnění mezer v periodické tabulce (3).

Částice nesoucí kladný náboj se nazývá proton (řecky proton = první). Okamžitě se objevil další problém. Hmotnost protonu je přibližně rovna 1 jednotce. Zatímco atomové jádro sodík s nábojem 11 jednotek má hmotnost 23 jednotek? Stejně je tomu samozřejmě i u ostatních prvků. To znamená, že v jádře musí být přítomny další částice, které nemají náboj. Zpočátku fyzici předpokládali, že jde o silně vázané protony s elektrony, ale nakonec se prokázalo, že se objevila nová částice – neutron (latinsky neutr = neutrál). Objev této elementární částice (tzv. základních „cihel“, které tvoří veškerou hmotu) učinil v roce 1932 anglický fyzik James Chadwick.

Protony a neutrony se mohou navzájem přeměnit. Fyzici předpokládají, že jde o formy částice zvané nukleon (lat. nucleus = jádro).

Protože jádrem nejjednoduššího izotopu vodíku je proton, lze vidět, že William Prout ve své „vodíkové“ hypotéze konstrukce atomu příliš se nemýlil (viz: „S atomem v průběhu věků – část 2“; „Mladý technik“ č. 8/2015). Zpočátku dokonce docházelo ke kolísání mezi názvy proton a „proton“.

4. Fotobuňky v cíli - základem jejich práce je fotoelektrický jev (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Není dovoleno vše

Rutherfordův model měl v době svého vzniku „vrozenou vadu“. Podle Maxwellových zákonů elektrodynamiky (potvrzených v té době již fungujícím rozhlasovým vysíláním) by měl elektron pohybující se v kruhu vyzařovat elektromagnetickou vlnu.

Tím ztrácí energii, v důsledku čehož dopadá na jádro. Za normálních podmínek atomy nevyzařují (spektra se tvoří při zahřátí na vysoké teploty) a nejsou pozorovány atomové katastrofy (odhadovaná životnost elektronu je menší než jedna miliontina sekundy).

Rutherfordův model vysvětlil výsledek experimentu s rozptylem částic, ale stále neodpovídal skutečnosti.

V roce 1913 si lidé „zvykli“ na to, že energie v mikrokosmu se odebírá a posílá nikoli v libovolném množství, ale po částech, zvaných kvanta. Na tomto základě Max Planck vysvětlil povahu spekter záření emitovaného zahřátými tělesy (1900) a Albert Einstein (1905) vysvětlil tajemství fotoelektrického jevu, tj. emise elektronů osvětlenými kovy (4).

5. Difrakční snímek elektronů na krystalu oxidu tantalu ukazuje jeho symetrickou strukturu (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28letý dánský fyzik Niels Bohr vylepšil Rutherfordův model atomu. Navrhl, aby se elektrony pohybovaly pouze po drahách, které splňují určité energetické podmínky. Kromě toho elektrony při pohybu nevyzařují záření a energie je absorbována a vyzařována pouze při posunu mezi oběžné dráhy. Předpoklady odporovaly klasické fyzice, ale výsledky získané na jejich základě (velikost atomu vodíku a délka čar jeho spektra) se ukázaly jako v souladu s experimentem. nově narozený model atomu.

Bohužel výsledky byly platné pouze pro atom vodíku (ale nevysvětlily všechna spektrální pozorování). U ostatních prvků výsledky výpočtu neodpovídaly skutečnosti. Fyzikové tedy ještě neměli teoretický model atomu.

Záhady se začaly objasňovat po jedenácti letech. Vlnovými vlastnostmi hmotných částic se zabývala doktorská disertační práce francouzského fyzika Ludwika de Broglieho. Již bylo prokázáno, že světlo se kromě typických charakteristik vlny (difrakce, lom) chová také jako soubor částic - fotonů (například elastické srážky s elektrony). Ale hromadné objekty? Tento návrh vypadal jako sen pro prince, který se chtěl stát fyzikem. V roce 1927 byl však proveden experiment, který potvrdil de Broglieho hypotézu – elektronový paprsek se difraktoval na kovovém krystalu (5).

Kde se vzaly atomy?

Jako všichni ostatní: Velký třesk. Fyzici se domnívají, že doslova ve zlomku sekundy od „nulového bodu“ vznikly protony, neutrony a elektrony, tedy jednotlivé atomy. O pár minut později (když se vesmír ochladil a hustota hmoty klesla) se nukleony spojily a vytvořily jádra prvků jiných než vodík. Vzniklo největší množství helia a také stopy následujících tří prvků. Teprve po 100 XNUMX Po mnoho let podmínky umožňovaly elektronům vázat se na jádra – vznikly první atomy. Na další jsem musel dlouho čekat. Náhodné kolísání hustoty způsobilo vznik hustot, které, jak se objevovaly, přitahovaly stále více hmoty. Brzy se v temnotě vesmíru rozzářily první hvězdy.

Asi po miliardě let začali někteří z nich umírat. Ve svém průběhu produkovali jádra atomů až po železo. Nyní, když zemřeli, rozšířili je po celém kraji a z popela se zrodily nové hvězdy. Nejmasivnější z nich měl velkolepý konec. Při explozích supernov byla jádra bombardována takovým množstvím částic, že ​​vznikly i ty nejtěžší prvky. Vytvořili nové hvězdy, planety a na některých glóbech - život.

Existence hmotných vln byla prokázána. Na druhou stranu elektron v atomu byl považován za stojaté vlnění, díky kterému nevyzařuje energii. Vlnové vlastnosti pohybujících se elektronů byly využity k vytvoření elektronových mikroskopů, které umožnily poprvé vidět atomy (6). V následujících letech práce Wernera Heisenberga a Erwina Schrödingera (na základě de Broglieho hypotézy) umožnily vyvinout nový model elektronových obalů atomu, zcela založený na zkušenostech. Ale to jsou otázky nad rámec článku.

Sen alchymistů se stal skutečností

Přirozené radioaktivní přeměny, při kterých vznikají nové prvky, jsou známy již od konce 1919. století. V XNUMX něco, čeho byla až dosud schopna pouze příroda. Ernest Rutherford se v tomto období zabýval interakcí částic s hmotou. Během testů si všiml, že protony se objevily v důsledku ozáření plynným dusíkem.

Jediným vysvětlením jevu byla reakce mezi jádry helia (částice a jádro izotopu tohoto prvku) a dusíkem (7). V důsledku toho vzniká kyslík a vodík (proton je jádrem nejlehčího izotopu). Sen alchymistů o transmutaci se naplnil. V následujících desetiletích byly produkovány prvky, které se v přírodě nevyskytují.

Přírodní radioaktivní přípravky emitující a-částice již pro tento účel nevyhovovaly (Coulombova bariéra těžkých jader je příliš velká na to, aby se k nim přiblížila lehká částice). Z urychlovačů, předávajících obrovskou energii jádrům těžkých izotopů, se vyklubaly „alchymistické pece“, ve kterých se předkové dnešních chemiků snažili získat „krále kovů“ (8).

Vlastně, co zlato? Jako surovinu pro jeho výrobu alchymisté nejčastěji používali rtuť. Nutno přiznat, že v tomto případě měli opravdový „nos“. Právě ze rtuti upravené neutrony v jaderném reaktoru bylo poprvé získáno umělé zlato. Kovový kus byl představen v roce 1955 na Ženevské atomové konferenci.

Obr. 6. Atomy na povrchu zlata, viditelné na snímku v rastrovacím tunelovém mikroskopu.

7. Schéma první lidské transmutace prvků

Zpráva o úspěchu fyziků vyvolala dokonce krátké pozdvižení na světových burzách, senzační tiskové zprávy však vyvrátila informace o ceně takto vytěžené rudy – je mnohonásobně dražší než přírodní zlato. Reaktory nenahradí důl na drahé kovy. Ale izotopy a umělé prvky v nich produkované (pro účely medicíny, energetiky, vědeckého výzkumu) jsou mnohem cennější než zlato.

8. Historický cyklotron syntetizující prvních několik prvků po uranu v periodické tabulce (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, srpen 1939)

Čtenářům, kteří by rádi prozkoumali problematiku nastolenou v textu, doporučuji sérii článků od pana Tomasze Sowińského. Objevilo se v „Young Technics“ v letech 2006-2010 (pod názvem „Jak objevili“). Texty jsou k dispozici také na webu autora na adrese: .

Cyklus"S atomem na věky» Začal připomínkou, že minulé století bylo často nazýváno věkem atomu. Samozřejmě si nelze nevšimnout zásadních úspěchů fyziků a chemiků XNUMX. století ve struktuře hmoty. V posledních letech se však poznatky o mikrokosmu rozšiřují stále rychleji, vyvíjejí se technologie, které umožňují manipulovat s jednotlivými atomy a molekulami. To nám dává právo říci, že skutečné stáří atomu ještě nenastalo.