Với một nguyên tử qua các thời đại - phần 3

Mô hình hành tinh của nguyên tử Rutherford gần với thực tế hơn là "bánh pudding nho khô" của Thomson. Tuy nhiên, tuổi thọ của khái niệm này chỉ kéo dài hai năm, nhưng trước khi nói về người kế nhiệm, đã đến lúc làm sáng tỏ những bí mật nguyên tử tiếp theo.

1. Các đồng vị của hydro: prot và deuterium ổn định và tritium phóng xạ (ảnh: BruceBlaus / Wikimedia Commons).

tuyết lở hạt nhân

Việc phát hiện ra hiện tượng phóng xạ, đánh dấu sự khởi đầu làm sáng tỏ những bí ẩn của nguyên tử, bước đầu đe dọa nền tảng của hóa học - quy luật tuần hoàn. Trong thời gian ngắn, vài chục chất phóng xạ đã được xác định. Một số trong số chúng có cùng tính chất hóa học, mặc dù khối lượng nguyên tử khác nhau, trong khi những chất khác, với cùng khối lượng, có các tính chất khác nhau. Hơn nữa, trong khu vực của bảng tuần hoàn, nơi đáng lẽ chúng phải được đặt do trọng lượng của chúng, không có đủ không gian trống để chứa tất cả chúng. Bảng tuần hoàn đã bị mất do một trận tuyết lở của những khám phá.

2. Bản sao của khối phổ kế năm 1911 của J.J. Thompson (ảnh: Jeff Dahl / Wikimedia Commons)

Hạt nhân nguyên tử

Đây là 10-100 nghìn. lần nhỏ hơn toàn bộ nguyên tử. Nếu hạt nhân của một nguyên tử hydro được phóng to bằng kích thước của một quả bóng có đường kính 1 cm và đặt ở giữa sân bóng đá, thì một điện tử (nhỏ hơn đầu đinh ghim) sẽ ở gần khung thành. (trên 50 m).

Gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân, ví dụ, đối với vàng thì gần như là 99,98%. Hãy tưởng tượng một khối kim loại này nặng 19,3 tấn. Mọi điều hạt nhân của nguyên tử vàng có tổng thể tích nhỏ hơn 1/1000 mm3 (viên bi có đường kính nhỏ hơn 0,1 mm). Do đó, nguyên tử trống rỗng khủng khiếp. Người đọc phải tính toán khối lượng riêng của vật liệu nền.

Giải pháp cho vấn đề này được Frederick Soddy tìm ra vào năm 1910. Ông đã đưa ra khái niệm về đồng vị, tức là giống của cùng một nguyên tố khác nhau về khối lượng nguyên tử của chúng (1). Do đó, ông đặt câu hỏi về một định đề khác của Dalton - kể từ thời điểm đó, một nguyên tố hóa học không còn bao gồm các nguyên tử có cùng khối lượng nữa. Giả thuyết đồng vị, sau khi xác nhận bằng thực nghiệm (máy quang phổ khối, 1911), cũng có thể giải thích các giá trị phân số của khối lượng nguyên tử của một số nguyên tố - hầu hết chúng là hỗn hợp của nhiều đồng vị và khối lượng nguyên tử là trung bình cộng của khối lượng của tất cả chúng (2).

Các thành phần hạt nhân

Một sinh viên khác của Rutherford, Henry Moseley, vào năm 1913, đã nghiên cứu tia X do các nguyên tố đã biết phát ra. Không giống như quang phổ phức tạp, quang phổ tia X rất đơn giản - mỗi phần tử chỉ phát ra hai bước sóng, bước sóng của chúng dễ tương quan với điện tích của hạt nhân nguyên tử của nó.

3. Một trong những máy X-quang được Moseley sử dụng (ảnh: Magnus Manske / Wikimedia Commons)

Điều này giúp lần đầu tiên có thể trình bày số lượng thực của các nguyên tố hiện có, cũng như xác định có bao nhiêu nguyên tố trong số đó vẫn chưa đủ để lấp đầy khoảng trống trong bảng tuần hoàn (3).

Một hạt mang điện tích dương được gọi là proton (tiếng Hy Lạp proton = 1). Một vấn đề khác ngay lập tức nảy sinh. Khối lượng của một proton xấp xỉ bằng XNUMX đơn vị. Nhưng trái lại hạt nhân nguyên tử natri với điện tích 11 đơn vị có khối lượng 23 đơn vị? Tất nhiên, điều tương tự cũng xảy ra với các yếu tố khác. Điều này có nghĩa là phải có các hạt khác có trong hạt nhân và không mang điện tích. Ban đầu, các nhà vật lý cho rằng đây là những proton liên kết mạnh với các electron, nhưng cuối cùng, người ta đã chứng minh được rằng một hạt mới đã xuất hiện - neutron (neuter trong tiếng Latinh = trung tính). Việc phát hiện ra hạt cơ bản này (cái gọi là "viên gạch" cơ bản tạo nên mọi vật chất) được thực hiện vào năm 1932 bởi nhà vật lý người Anh James Chadwick.

Proton và neutron có thể biến thành nhau. Các nhà vật lý suy đoán rằng chúng là dạng của một loại hạt được gọi là nucleon (hạt nhân trong tiếng Latinh = hạt nhân).

Vì hạt nhân của đồng vị đơn giản nhất của hydro là proton, nên có thể thấy William Prout trong giả thuyết "hydro" của mình cấu tạo nguyên tử anh cũng không sai lắm (xem: “Cùng nguyên tử qua các thời đại - phần 2”; “Người Kỹ Thuật Trẻ” số 8/2015). Ban đầu, thậm chí còn có sự dao động giữa tên gọi proton và "proton".

4. Tế bào quang ở giai đoạn cuối - cơ sở công việc của chúng là hiệu ứng quang điện (ảnh: Ies / Wikimedia Commons)

Không phải mọi thứ đều được phép

Người mẫu của Rutherford vào thời điểm xuất hiện đã mắc phải một "khiếm khuyết bẩm sinh". Theo định luật điện động lực học của Maxwell (được xác nhận bởi việc phát sóng vô tuyến đã hoạt động vào thời điểm đó), một electron chuyển động trong một vòng tròn sẽ bức xạ ra sóng điện từ.

Do đó, nó mất năng lượng do nó rơi vào hạt nhân. Trong điều kiện bình thường, nguyên tử không phát xạ (quang phổ được hình thành khi nung ở nhiệt độ cao) và không quan sát được thảm họa nguyên tử (thời gian tồn tại ước tính của một electron là dưới một phần triệu giây).

Mô hình của Rutherford giải thích kết quả của thí nghiệm tán xạ hạt, nhưng vẫn không tương ứng với thực tế.

Vào năm 1913, mọi người đã "quen" với thực tế là năng lượng trong mô hình thu nhỏ được lấy và gửi đi không phải ở bất kỳ số lượng nào, mà ở các phần, được gọi là lượng tử. Trên cơ sở này, Max Planck đã giải thích bản chất của phổ bức xạ do các vật bị nung nóng phát ra (1900), và Albert Einstein (1905) giải thích bí mật của hiệu ứng quang điện, tức là sự phát xạ các electron của các kim loại được chiếu sáng (4).

5. Hình ảnh nhiễu xạ của các electron trên tinh thể oxit tantali cho thấy cấu trúc đối xứng của nó (ảnh: Sven.hovmoeller / Wikimedia Commons)

Nhà vật lý 28 tuổi người Đan Mạch Niels Bohr đã cải tiến mô hình nguyên tử của Rutherford. Ông cho rằng các electron chỉ chuyển động trong những quỹ đạo thỏa mãn những điều kiện năng lượng nhất định. Ngoài ra, các electron không phát ra bức xạ khi chúng di chuyển, và năng lượng chỉ được hấp thụ và phát ra khi chuyển động giữa các quỹ đạo. Các giả định mâu thuẫn với vật lý cổ điển, nhưng các kết quả thu được trên cơ sở của chúng (kích thước của nguyên tử hydro và độ dài của các vạch quang phổ của nó) hóa ra lại phù hợp với thực nghiệm. mới sinh mô hình nguyên tử.

Thật không may, kết quả chỉ có giá trị đối với nguyên tử hydro (nhưng không giải thích được tất cả các quan sát quang phổ). Đối với các yếu tố khác, kết quả tính toán không tương ứng với thực tế. Do đó, các nhà vật lý vẫn chưa có một mô hình lý thuyết về nguyên tử.

Những bí ẩn bắt đầu sáng tỏ sau mười một năm. Luận án tiến sĩ của nhà vật lý người Pháp Ludwik de Broglie đề cập đến tính chất sóng của các hạt vật chất. Người ta đã chứng minh rằng ánh sáng, ngoài các đặc tính điển hình của sóng (nhiễu xạ, khúc xạ), còn hoạt động giống như một tập hợp các hạt - photon (ví dụ, va chạm đàn hồi với các electron). Nhưng đối tượng khối lượng? Lời đề nghị dường như là một giấc mơ viển vông đối với một hoàng tử muốn trở thành nhà vật lý. Tuy nhiên, vào năm 1927, một thí nghiệm đã được thực hiện xác nhận giả thuyết của de Broglie - chùm tia điện tử nhiễu xạ trên một tinh thể kim loại (5).

Nguyên tử đến từ đâu?

Giống như những người khác: Big Bang. Các nhà vật lý học tin rằng theo nghĩa đen, chỉ trong một phần giây từ các proton, neutron và electron ở "điểm không", tức là các nguyên tử cấu thành, đã được hình thành. Vài phút sau (khi vũ trụ nguội đi và mật độ vật chất giảm), các nucleon hợp nhất với nhau, tạo thành hạt nhân của các nguyên tố khác ngoài hydro. Lượng helium lớn nhất được hình thành, cũng như dấu vết của ba nguyên tố sau đây. Chỉ sau 100 XNUMX Trong nhiều năm, các điều kiện cho phép các electron liên kết với hạt nhân - những nguyên tử đầu tiên được hình thành. Tôi đã phải đợi một thời gian dài cho cái tiếp theo. Sự dao động ngẫu nhiên của mật độ gây ra sự hình thành của mật độ, khi chúng xuất hiện, ngày càng thu hút nhiều vật chất hơn. Chẳng bao lâu, trong bóng tối của vũ trụ, những ngôi sao đầu tiên bùng lên.

Sau khoảng một tỷ năm, một số trong số chúng bắt đầu chết. Trong khóa học của họ, họ đã sản xuất hạt nhân của nguyên tử xuống sắt. Giờ đây, khi họ chết đi, họ rải chúng khắp vùng và những ngôi sao mới được sinh ra từ đống tro tàn. Lớn nhất trong số họ đã có một kết thúc ngoạn mục. Trong các vụ nổ siêu tân tinh, các hạt nhân bị bắn phá bởi rất nhiều hạt đến nỗi những nguyên tố nặng nhất cũng được hình thành. Họ đã hình thành các ngôi sao, hành tinh mới và trên một số quả địa cầu - sự sống.

Sự tồn tại của sóng vật chất đã được chứng minh. Mặt khác, một electron trong nguyên tử được coi là sóng dừng, do đó nó không bức xạ năng lượng. Tính chất sóng của các electron chuyển động đã được sử dụng để tạo ra kính hiển vi điện tử, lần đầu tiên có thể nhìn thấy các nguyên tử (6). Trong những năm tiếp theo, công trình của Werner Heisenberg và Erwin Schrödinger (trên cơ sở giả thuyết de Broglie) đã giúp phát triển một mô hình mới về lớp vỏ electron của nguyên tử, hoàn toàn dựa trên kinh nghiệm. Nhưng đây là những câu hỏi nằm ngoài phạm vi của bài báo.

Giấc mơ của các nhà giả kim đã thành hiện thực

Sự biến đổi phóng xạ tự nhiên, trong đó các nguyên tố mới được hình thành, đã được biết đến từ cuối thế kỷ 1919. Trong XNUMX, một thứ mà chỉ có tự nhiên mới có thể làm được cho đến bây giờ. Ernest Rutherford trong thời kỳ này đã tham gia vào sự tương tác của các hạt với vật chất. Trong quá trình thử nghiệm, ông nhận thấy rằng các proton xuất hiện là kết quả của việc chiếu xạ với khí nitơ.

Lời giải thích duy nhất cho hiện tượng này là phản ứng giữa hạt nhân heli (một hạt và hạt nhân của một đồng vị của nguyên tố này) và nitơ (7). Kết quả là, oxy và hydro được hình thành (một proton là hạt nhân của đồng vị nhẹ nhất). Giấc mơ biến hình của các nhà giả kim thuật đã trở thành hiện thực. Trong những thập kỷ tiếp theo, các nguyên tố được tạo ra không có trong tự nhiên.

Các chế phẩm phóng xạ tự nhiên phát ra các hạt a không còn phù hợp cho mục đích này (hàng rào Coulomb của các hạt nhân nặng quá lớn để một hạt nhẹ có thể tiếp cận chúng). Các máy gia tốc, truyền năng lượng khổng lồ cho hạt nhân của các đồng vị nặng, hóa ra là "lò luyện kim", trong đó tổ tiên của các nhà hóa học ngày nay đã cố gắng đạt được "vua của các kim loại" (8).

Trên thực tế, những gì về vàng? Các nhà giả kim thuật thường sử dụng thủy ngân làm nguyên liệu thô để sản xuất nó. Phải thừa nhận rằng trong trường hợp này họ đã có một cái “mũi” thật. Đầu tiên người ta thu được vàng nhân tạo từ thủy ngân với neutron trong lò phản ứng hạt nhân. Mảnh kim loại được trưng bày vào năm 1955 tại Hội nghị Nguyên tử Geneva.

Hình 6. Các nguyên tử trên bề mặt vàng, có thể nhìn thấy trong ảnh trong kính hiển vi quét đường hầm.

7. Sơ đồ chuyển đổi đầu tiên của con người của các yếu tố

Tin tức về thành tựu của các nhà vật lý thậm chí còn gây xôn xao trên các sàn giao dịch chứng khoán thế giới, nhưng các thông tin giật gân trên báo chí đã bị bác bỏ bởi thông tin về giá quặng được khai thác theo cách này - nó đắt gấp nhiều lần so với vàng tự nhiên. Lò phản ứng sẽ không thay thế mỏ kim loại quý. Nhưng các đồng vị và nguyên tố nhân tạo được tạo ra trong chúng (cho mục đích y học, năng lượng, nghiên cứu khoa học) có giá trị hơn nhiều so với vàng.

8. Cyclotron lịch sử tổng hợp một số nguyên tố đầu tiên sau uranium trong bảng tuần hoàn (Phòng thí nghiệm bức xạ Lawrence, Đại học California, Berkeley, tháng 1939 năm XNUMX)

Đối với những độc giả muốn khám phá những vấn đề được đặt ra trong văn bản, tôi giới thiệu một loạt bài viết của ông Tomasz Sowiński. Xuất hiện trong "Young Technics" năm 2006-2010 (với tiêu đề "Làm thế nào họ phát hiện ra"). Các văn bản cũng có sẵn trên trang web của tác giả tại: .

Xe đạp "Với một nguyên tử cho các lứa tuổi»Ông bắt đầu với một lời nhắc nhở rằng thế kỷ trước thường được gọi là thời đại của nguyên tử. Tất nhiên, người ta không thể không ghi nhận những thành tựu cơ bản của các nhà vật lý và hóa học ở thế kỷ XUMX về cấu trúc của vật chất. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, kiến ​​thức về mô hình thu nhỏ ngày càng mở rộng nhanh hơn, các công nghệ đang được phát triển cho phép thao tác các nguyên tử và phân tử riêng lẻ. Điều này cho phép chúng ta có quyền nói rằng tuổi thực của nguyên tử vẫn chưa đến.