Amb un àtom a través dels segles - part 3

El model planetari de l'àtom de Rutherford era més proper a la realitat que el "budin de panses" de Thomson. No obstant això, la vida d'aquest concepte va durar només dos anys, però abans de parlar d'un successor, és hora de desentranyar els propers secrets atòmics.

1. Isòtops de l'hidrogen: prot estable i deuteri i triti radioactiu (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

allau nuclear

El descobriment del fenomen de la radioactivitat, que va marcar l'inici de la revelació dels misteris de l'àtom, va amenaçar inicialment la base de la química: la llei de la periodicitat. En poc temps es van identificar diverses desenes de substàncies radioactives. Alguns d'ells tenien les mateixes propietats químiques, malgrat la diferent massa atòmica, mentre que altres, amb les mateixes masses, tenien propietats diferents. A més, a la zona de la taula periòdica on s'haurien d'haver col·locat pel seu pes, no hi havia prou espai lliure per acollir-los tots. La taula periòdica es va perdre a causa d'una allau de descobriments.

2. Rèplica de l'espectròmetre de masses de J.J. Thompson de 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Nucli atòmic

Això són 10-100 mil. vegades més petit que l'àtom sencer. Si el nucli d'un àtom d'hidrogen s'ampliés a la mida d'una pilota d'1 cm de diàmetre i s'hagués de col·locar al centre d'un camp de futbol, ​​aleshores un electró (més petit que un cap d'agulla) estaria a prop d'una porteria. (més de 50 m).

Gairebé tota la massa d'un àtom es concentra al nucli, per exemple, per a l'or és gairebé el 99,98%. Imagineu un cub d'aquest metall que pesi 19,3 tones. Tot nuclis d'àtoms l'or té un volum total inferior a 1/1000 mm3 (una bola amb un diàmetre inferior a 0,1 mm). Per tant, l'àtom està terriblement buit. Els lectors han de calcular la densitat del material base.

La solució a aquest problema la va trobar el 1910 Frederick Soddy. Va introduir el concepte d'isòtops, és a dir. varietats d'un mateix element que difereixen en la seva massa atòmica (1). Així, va posar en dubte un altre postulat de Dalton: a partir d'aquest moment, un element químic ja no hauria de consistir en àtoms de la mateixa massa. La hipòtesi isotòpica, després de la confirmació experimental (espectrògraf de masses, 1911), també va permetre explicar els valors fraccionaris de les masses atòmiques d'alguns elements, la majoria d'ells són mescles de molts isòtops, i massa atòmica és la mitjana ponderada de les masses de totes elles (2).

Components del nucli

Un altre estudiant de Rutherford, Henry Moseley, el 1913 va estudiar els raigs X emesos per elements coneguts. A diferència dels espectres òptics complexos, l'espectre de raigs X és molt simple: cada element emet només dues longituds d'ona, les longituds d'ona de les quals es correlacionen fàcilment amb la càrrega del seu nucli atòmic.

3. Una de les màquines de raigs X utilitzades per Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Això va permetre per primera vegada presentar el nombre real d'elements existents, així com determinar quants d'ells encara no són suficients per omplir els buits de la taula periòdica (3).

Una partícula que porta una càrrega positiva s'anomena protó (protó grec = primer). Immediatament va sorgir un altre problema. La massa d'un protó és aproximadament igual a 1 unitat. Mentre que nucli atòmic el sodi amb una càrrega d'11 unitats té una massa de 23 unitats? El mateix, és clar, passa amb altres elements. Això vol dir que hi ha d'haver altres partícules presents al nucli i que no tinguin càrrega. Inicialment, els físics van suposar que aquests eren protons fortament lligats amb electrons, però al final es va demostrar que va aparèixer una nova partícula: el neutró (llatí neutre = neutre). El descobriment d'aquesta partícula elemental (els anomenats "maons" bàsics que formen tota la matèria) el va fer l'any 1932 el físic anglès James Chadwick.

Els protons i els neutrons es poden convertir els uns en els altres. Els físics especulen que són formes d'una partícula anomenada nucleó (en llatí nucli = nucli).

Com que el nucli de l'isòtop d'hidrogen més simple és un protó, es pot veure que William Prout en la seva hipòtesi "hidrogen" construcció d'àtoms no s'equivocava massa (vegeu: “Amb l'àtom a través dels segles - part 2”; “Jove tècnic” núm. 8/2015). Inicialment, fins i tot hi havia fluctuacions entre els noms de protó i "protó".

4. Fotocèl·lules a l'acabat - la base del seu treball és l'efecte fotoelèctric (foto: Ies / Wikimedia Commons)

No tot està permès

El model de Rutherford en el moment de la seva aparició tenia un "defecte congènit". D'acord amb les lleis de l'electrodinàmica de Maxwell (confirmades per la radiodifusió que ja funcionava en aquell moment), un electró que es mou en cercle hauria d'irradiar una ona electromagnètica.

Així, perd energia, com a conseqüència de la qual cosa cau sobre el nucli. En condicions normals, els àtoms no irradien (els espectres es formen quan s'escalfen a altes temperatures) i no s'observen catàstrofes atòmiques (la vida útil estimada d'un electró és inferior a una milionèsima part de segon).

El model de Rutherford va explicar el resultat de l'experiment de dispersió de partícules, però encara no es corresponia amb la realitat.

L'any 1913, la gent "es va acostumar" al fet que l'energia del microcosmos s'agafa i s'envia no en qualsevol quantitat, sinó en porcions, anomenades quanta. Sobre aquesta base, Max Planck va explicar la naturalesa dels espectres de radiació emesa pels cossos escalfats (1900), i Albert Einstein (1905) va explicar els secrets de l'efecte fotoelèctric, és a dir, l'emissió d'electrons pels metalls il·luminats (4).

5. La imatge de difracció d'electrons en un cristall d'òxid de tàntal mostra la seva estructura simètrica (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

El físic danès Niels Bohr, de 28 anys, va millorar el model de l'àtom de Rutherford. Va suggerir que els electrons es mouen només en òrbites que compleixen determinades condicions energètiques. A més, els electrons no emeten radiació mentre es mouen, i l'energia només s'absorbeix i s'emet quan es desvien entre òrbites. Els supòsits contradeien la física clàssica, però els resultats obtinguts sobre la seva base (la mida de l'àtom d'hidrogen i la longitud de les línies del seu espectre) van resultar ser coherents amb l'experiment. nounat model atomu.

Malauradament, els resultats eren vàlids només per a l'àtom d'hidrogen (però no explicaven totes les observacions espectrals). Per a la resta d'elements, els resultats del càlcul no corresponien a la realitat. Així, els físics encara no tenien un model teòric de l'àtom.

Els misteris van començar a aclarir-se després d'onze anys. La tesi doctoral del físic francès Ludwik de Broglie tractava de les propietats ondulatòries de les partícules materials. Ja s'ha demostrat que la llum, a més de les característiques típiques d'una ona (difracció, refracció), també es comporta com una col·lecció de partícules: fotons (per exemple, col·lisions elàstiques amb electrons). Però objectes massius? El suggeriment semblava un somni per a un príncep que volia convertir-se en físic. Tanmateix, el 1927 es va dur a terme un experiment que va confirmar la hipòtesi de De Broglie: el feix d'electrons es va difractar sobre un cristall metàl·lic (5).

D'on provenen els àtoms?

Com tots els altres: Big Bang. Els físics creuen que literalment en una fracció de segon del "punt zero" es van formar protons, neutrons i electrons, és a dir, els àtoms constitutius. Uns minuts més tard (quan l'univers es va refredar i la densitat de la matèria va disminuir), els nucleons es van fusionar, formant els nuclis d'elements diferents de l'hidrogen. Es va formar la major quantitat d'heli, així com restes dels tres elements següents. Només després de 100 XNUMX Durant molts anys, les condicions van permetre que els electrons s'unís als nuclis: es van formar els primers àtoms. Vaig haver d'esperar molt a la següent. Les fluctuacions aleatòries de la densitat van provocar la formació de densitats que, a mesura que van aparèixer, van atreure cada cop més matèria. Aviat, a la foscor de l'univers, les primeres estrelles van esclatar.

Després d'uns mil milions d'anys, alguns d'ells van començar a morir. En el seu curs van produir nuclis d'àtoms fins al ferro. Ara, quan van morir, les van estendre per tota la regió, i de les cendres van néixer noves estrelles. El més massiu d'ells va tenir un final espectacular. Durant les explosions de supernoves, els nuclis van ser bombardejats amb tantes partícules que fins i tot es van formar els elements més pesats. Van formar noves estrelles, planetes i, en alguns globus, la vida.

S'ha demostrat l'existència d'ones de matèria. D'altra banda, un electró en un àtom es considerava una ona estacionària, per la qual cosa no irradia energia. Les propietats ondulatòries dels electrons en moviment es van utilitzar per crear microscopis electrònics, que van permetre veure els àtoms per primera vegada (6). En els anys següents, el treball de Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger (a partir de la hipòtesi de De Broglie) va permetre desenvolupar un nou model de les capes d'electrons de l'àtom, totalment basat en l'experiència. Però aquestes són preguntes fora de l'abast de l'article.

El somni dels alquimistes es va fer realitat

Les transformacions radioactives naturals, en les quals es formen nous elements, es coneixen des de finals del segle XIX. A 1919, una cosa que només la natura ha estat capaç fins ara. Ernest Rutherford durant aquest període es va dedicar a la interacció de les partícules amb la matèria. Durant les proves, va observar que els protons van aparèixer com a resultat de la irradiació amb gas nitrogenat.

L'única explicació del fenomen va ser la reacció entre els nuclis d'heli (una partícula i el nucli d'un isòtop d'aquest element) i el nitrogen (7). Com a resultat, es formen oxigen i hidrogen (un protó és el nucli de l'isòtop més lleuger). El somni de transmutació dels alquimistes s'ha fet realitat. En les dècades següents es van produir elements que no es troben a la natura.

Els preparats radioactius naturals que emeten partícules a ja no eren adequades per a aquest propòsit (la barrera de Coulomb dels nuclis pesats és massa gran perquè una partícula lleugera s'hi apropi). Els acceleradors, que impartien una enorme energia als nuclis dels isòtops pesants, van resultar ser "forns alquímics", en els quals els avantpassats dels químics actuals intentaven obtenir el "rei dels metalls" (8).

De fet, què passa amb l'or? Els alquimistes utilitzaven més sovint el mercuri com a matèria primera per a la seva producció. Cal admetre que en aquest cas tenien un autèntic “nas”. Va ser a partir del mercuri tractat amb neutrons en un reactor nuclear que es va obtenir per primera vegada l'or artificial. La peça metàl·lica es va mostrar l'any 1955 a la Conferència Atòmica de Ginebra.

Fig. 6. Àtoms a la superfície d'or, visibles a la imatge en un microscopi de túnel d'escaneig.

7. Esquema de la primera transmutació humana dels elements

La notícia de l'assoliment dels físics fins i tot va provocar un breu enrenou a les borses mundials, però els sensacionals informes de premsa van ser refutats per la informació sobre el preu del mineral extret d'aquesta manera: és moltes vegades més car que l'or natural. Els reactors no substituiran la mina de metalls preciosos. Però els isòtops i els elements artificials que s'hi produeixen (a efectes de medicina, energia, investigació científica) són molt més valuosos que l'or.

8. Ciclotró històric que sintetitza els primers elements després de l'urani a la taula periòdica (Lawrence Radiation Laboratory, Universitat de Califòrnia, Berkeley, agost de 1939)

Per als lectors que vulguin explorar els problemes plantejats en el text, recomano una sèrie d'articles del Sr. Tomasz Sowiński. Va aparèixer a "Young Technics" el 2006-2010 (sota l'epígraf "Com van descobrir"). Els textos també estan disponibles al web de l'autor a: .

Cicle"Amb un àtom durant anys» Va començar amb un recordatori que el segle passat sovint s'anomenava l'edat de l'àtom. Per descomptat, no es pot deixar d'observar els èxits fonamentals dels físics i químics del segle XIX en l'estructura de la matèria. Tanmateix, en els darrers anys, el coneixement sobre el microcosmos s'està expandint cada cop més ràpid, s'estan desenvolupant tecnologies que permeten manipular àtoms i molècules individuals. Això ens dóna dret a dir que l'edat real de l'àtom encara no ha arribat.