مع ذرة عبر العصور - الجزء الأول
كان نموذج رذرفورد الكوكبي للذرة أقرب إلى الواقع من "بودنغ الزبيب" لطومسون. ومع ذلك ، استمرت حياة هذا المفهوم عامين فقط ، ولكن قبل الحديث عن خليفة ، حان الوقت لكشف الأسرار الذرية التالية.
1. نظائر الهيدروجين: البروت الثابتة والديوتيريوم والتريتيوم المشع (الصورة: BruceBlaus / Wikimedia Commons).
الانهيار النووي
إن اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي ، التي كانت بمثابة بداية لكشف ألغاز الذرة ، هدد في البداية أساس الكيمياء - قانون الدورية. في وقت قصير ، تم تحديد عدة عشرات من المواد المشعة. كان لبعضها نفس الخصائص الكيميائية ، على الرغم من اختلاف الكتلة الذرية ، في حين أن البعض الآخر ، له نفس الكتلة ، له خصائص مختلفة. علاوة على ذلك ، في منطقة الجدول الدوري حيث كان ينبغي وضعهم بسبب وزنهم ، لم تكن هناك مساحة خالية كافية لاستيعابهم جميعًا. تم فقد الجدول الدوري بسبب سيل من الاكتشافات.
2. نسخة طبق الأصل من مطياف الكتلة JJ Thompson لعام 1911 (الصورة: Jeff Dahl / Wikimedia Commons)
نواة ذرية
هذا هو 10-100 ألف. مرات أصغر من الذرة بأكملها. إذا تم تكبير نواة ذرة الهيدروجين إلى حجم كرة قطرها 1 سم ووضعها في وسط ملعب كرة قدم ، فسيكون الإلكترون (أصغر من رأس الدبوس) بالقرب من الهدف (أكثر من 50 م).
تتركز كتلة الذرة بأكملها تقريبًا في النواة ، على سبيل المثال ، تبلغ نسبة الذهب تقريبًا 99,98٪. تخيل مكعب من هذا المعدن يزن 19,3 طن. الجميع نوى الذرات يبلغ إجمالي حجم الذهب أقل من 1/1000 مم 3 (كرة قطرها أقل من 0,1 مم). لذلك ، فإن الذرة فارغة بشكل رهيب. يجب على القراء حساب كثافة المادة الأساسية.
تم إيجاد حل لهذه المشكلة في عام 1910 من قبل فريدريك سودي. قدم مفهوم النظائر ، أي أصناف من نفس العنصر تختلف في كتلتها الذرية (1). وهكذا ، دعا إلى التشكيك في فرضية أخرى لدالتون - منذ تلك اللحظة فصاعدًا ، يجب ألا يتكون العنصر الكيميائي من ذرات من نفس الكتلة. جعلت الفرضية النظيرية ، بعد تأكيد تجريبي (مطياف الكتلة ، 1911) ، من الممكن أيضًا شرح القيم الكسرية للكتل الذرية لبعض العناصر - معظمها عبارة عن خليط من العديد من النظائر ، و الكتلة الذرية هو المتوسط المرجح للجماهير لكل منهم (2).
مكونات النواة
درس هنري موزلي ، أحد طلاب رذرفورد ، الأشعة السينية المنبعثة من عناصر معروفة في عام 1913. على عكس الأطياف الضوئية المعقدة ، فإن طيف الأشعة السينية بسيط للغاية - كل عنصر يصدر طولين موجيين فقط ، وترتبط أطوال موجاتهما بسهولة بشحنة نواتها الذرية.
3. إحدى آلات الأشعة السينية التي استخدمها Moseley (الصورة: Magnus Manske / Wikimedia Commons)
وقد أتاح ذلك لأول مرة تقديم العدد الحقيقي للعناصر الموجودة ، وكذلك تحديد عدد العناصر التي لا تزال غير كافية لملء الفجوات في الجدول الدوري (3).
يسمى الجسيم الذي يحمل شحنة موجبة البروتون (البروتون اليوناني = الأول). نشأت مشكلة أخرى على الفور. كتلة البروتون تساوي تقريبًا وحدة واحدة. بينما نواة ذرية صوديوم بتهمة 11 وحدة كتلته 23 وحدة؟ نفس الشيء ، بالطبع ، هو الحال مع العناصر الأخرى. هذا يعني أنه لا بد من وجود جسيمات أخرى في النواة وليس لها شحنة. في البداية ، افترض الفيزيائيون أن هذه البروتونات مرتبطة بقوة بالإلكترونات ، ولكن في النهاية ثبت أن جسيمًا جديدًا ظهر - النيوترون (محايد اللاتيني = محايد). تم اكتشاف هذا الجسيم الأولي (ما يسمى "الطوب" الأساسي الذي يتكون من كل المادة) في عام 1932 بواسطة الفيزيائي الإنجليزي جيمس تشادويك.
يمكن أن تتحول البروتونات والنيوترونات إلى بعضها البعض. يتكهن الفيزيائيون بأنها أشكال من الجسيمات تسمى النواة (النواة اللاتينية = النواة).
نظرًا لأن نواة أبسط نظير للهيدروجين هي بروتون ، يمكن ملاحظة أن ويليام بروت في فرضيته "الهيدروجين" هيكل الذرة لم يكن مخطئًا كثيرًا (انظر: "مع الذرة عبر العصور - الجزء 2" ، "فني شاب" رقم 8/2015). في البداية ، كانت هناك تقلبات بين اسمي البروتون و "البروتون".
4. الخلايا الضوئية في النهاية - أساس عملهم هو التأثير الكهروضوئي (الصورة: Ies / Wikimedia Commons)
ليس كل شيء مسموح به
كان نموذج رذرفورد في وقت ظهوره يعاني من "عيب خلقي". وفقًا لقوانين ماكسويل للديناميكا الكهربية (التي أكدها البث الإذاعي الذي كان يعمل بالفعل في ذلك الوقت) ، يجب أن يشع الإلكترون الذي يتحرك في دائرة موجة كهرومغناطيسية.
وبالتالي ، فإنه يفقد الطاقة ، ونتيجة لذلك فإنه يقع على النواة. في ظل الظروف العادية ، لا تشع الذرات (تتشكل الأطياف عند تسخينها إلى درجات حرارة عالية) ولا يتم ملاحظة الكوارث الذرية (العمر التقديري للإلكترون أقل من جزء من المليون من الثانية).
شرح نموذج رذرفورد نتيجة تجربة تشتت الجسيمات ، لكنه لا يزال غير مطابق للواقع.
في عام 1913 ، "اعتاد" الناس على حقيقة أن الطاقة في العالم المصغر تؤخذ وتُرسل ليس بأي كمية ، ولكن في أجزاء تسمى كوانتا. على هذا الأساس ، شرح ماكس بلانك طبيعة أطياف الإشعاع المنبعثة من الأجسام الساخنة (1900) ، وألبرت أينشتاين (1905) أسرار التأثير الكهروضوئي ، أي انبعاث الإلكترونات من المعادن المضيئة (4).
5. صورة حيود الإلكترونات على بلورة أكسيد التنتالوم تظهر هيكلها المتماثل (الصورة: Sven.hovmoeller / ويكيميديا كومنز)
قام الفيزيائي الدنماركي نيلز بور البالغ من العمر 28 عامًا بتحسين نموذج رذرفورد للذرة. واقترح أن الإلكترونات تتحرك فقط في مدارات تلبي ظروف طاقة معينة. بالإضافة إلى ذلك ، لا تصدر الإلكترونات إشعاعات أثناء تحركها ، ويتم امتصاص الطاقة وانبعاثها فقط عند تحويلها بين المدارات. تناقضت الافتراضات مع الفيزياء الكلاسيكية ، لكن النتائج التي تم الحصول عليها على أساسها (حجم ذرة الهيدروجين وطول خطوط طيفها) اتضح أنها متوافقة مع التجربة. مولود جديد نموذج atomu.
لسوء الحظ ، كانت النتائج صالحة فقط لذرة الهيدروجين (لكنها لم تشرح جميع الملاحظات الطيفية). بالنسبة للعناصر الأخرى ، فإن نتائج الحساب لا تتوافق مع الواقع. وهكذا ، لم يكن لدى الفيزيائيين بعد نموذج نظري للذرة.
بدأت الألغاز تتضح بعد أحد عشر عامًا. تناولت أطروحة الدكتوراه للفيزيائي الفرنسي Ludwik de Broglie الخصائص الموجية لجسيمات المادة. لقد ثبت بالفعل أن الضوء ، بالإضافة إلى الخصائص النموذجية للموجة (الانكسار والانكسار) ، يتصرف أيضًا كمجموعة من الجسيمات - الفوتونات (على سبيل المثال ، الاصطدامات المرنة مع الإلكترونات). لكن الأجسام الجماعية؟ بدا الاقتراح وكأنه أضغاث أحلام لأمير يريد أن يصبح فيزيائيًا. ومع ذلك ، في عام 1927 تم إجراء تجربة أكدت فرضية دي برولي - انحرف شعاع الإلكترون على بلورة معدنية (5).
من أين أتت الذرات؟
مثل أي شخص آخر: Big Bang. يعتقد الفيزيائيون أنه في جزء من الثانية حرفياً من البروتونات "نقطة الصفر" ، تشكلت النيوترونات والإلكترونات ، أي الذرات المكونة لها. بعد بضع دقائق (عندما برد الكون وتناقصت كثافة المادة) ، اندمجت النكليونات معًا لتشكل نوى عناصر أخرى غير الهيدروجين. تم تشكيل أكبر كمية من الهيليوم ، بالإضافة إلى آثار العناصر الثلاثة التالية. فقط بعد 100 XNUMX لسنوات عديدة ، سمحت الظروف للإلكترونات بالارتباط بالنوى - تشكلت الذرات الأولى. اضطررت إلى الانتظار لفترة طويلة من أجل المرحلة التالية. تسببت التقلبات العشوائية في الكثافة في تكوين كثافات ، والتي ، كما ظهرت ، جذبت المزيد والمزيد من المادة. سرعان ما اندلعت النجوم الأولى في ظلام الكون.
بعد حوالي مليار سنة ، بدأ بعضهم يموت. في مسارهم أنتجوا نوى الذرات وصولا إلى الحديد. الآن ، عندما ماتوا ، قاموا بنشرها في جميع أنحاء المنطقة ، وولدت نجوم جديدة من الرماد. كان لأضخمها نهاية مذهلة. أثناء انفجارات المستعر الأعظم ، قُصفت النوى بالعديد من الجسيمات بحيث تشكلت حتى أثقل العناصر. لقد شكلوا نجومًا وكواكبًا جديدة وعلى بعض الكرات الأرضية - الحياة.
تم إثبات وجود موجات المادة. من ناحية أخرى ، يُعتبر الإلكترون الموجود في الذرة بمثابة موجة ثابتة ، بسبب عدم إشعاعها للطاقة. تم استخدام الخصائص الموجية للإلكترونات المتحركة لإنشاء مجاهر إلكترونية ، مما جعل من الممكن رؤية الذرات لأول مرة (6). في السنوات اللاحقة ، أتاح عمل Werner Heisenberg و Erwin Schrödinger (على أساس فرضية De Broglie) تطوير نموذج جديد لقذائف الإلكترون للذرة ، بناءً على الخبرة بالكامل. لكن هذه أسئلة خارجة عن نطاق المقال.
تحقق حلم الكيميائيين
تُعرف التحولات الإشعاعية الطبيعية ، التي تتكون فيها عناصر جديدة ، منذ نهاية القرن التاسع عشر. في 1919 ، شيء كانت الطبيعة فقط قادرة على فعله حتى الآن. شارك إرنست رذرفورد خلال هذه الفترة في تفاعل الجسيمات مع المادة. خلال الاختبارات ، لاحظ أن البروتونات ظهرت نتيجة التشعيع بغاز النيتروجين.
كان التفسير الوحيد لهذه الظاهرة هو التفاعل بين نوى الهليوم (جسيم ونواة أحد نظائر هذا العنصر) والنيتروجين (7). نتيجة لذلك ، يتكون الأكسجين والهيدروجين (البروتون هو نواة أخف نظير). لقد تحقق حلم الخيميائيين في التحول. في العقود التالية ، تم إنتاج عناصر غير موجودة في الطبيعة.
لم تعد المستحضرات المشعة الطبيعية التي تنبعث منها جسيمات a مناسبة لهذا الغرض (حاجز كولوم للنواة الثقيلة كبير جدًا بحيث لا يمكن لجسيم خفيف الاقتراب منها). تبين أن المعجلات ، التي تضفي طاقة هائلة على نوى النظائر الثقيلة ، هي "أفران كيميائية" حاول فيها أسلاف علماء الكيمياء اليوم الحصول على "ملك المعادن" (8).
في الواقع ، ماذا عن الذهب؟ غالبًا ما يستخدم الكيميائيون الزئبق كمواد خام لإنتاجه. يجب الاعتراف أنه في هذه الحالة كان لديهم "أنف" حقيقي. تم الحصول على الذهب الاصطناعي لأول مرة من الزئبق المعالج بالنيوترونات في مفاعل نووي. عُرضت القطعة المعدنية عام 1955 في مؤتمر جنيف الذري.
الشكل 6. ذرات على سطح الذهب ، مرئية في الصورة في مجهر المسح النفقي.
7. مخطط أول إنسان تحوّل للعناصر
حتى أن أخبار إنجازات علماء الفيزياء تسببت في ضجة قصيرة في البورصات العالمية ، لكن التقارير الصحفية المثيرة تم دحضها بمعلومات حول سعر الخام المستخرج بهذه الطريقة - إنه أغلى بعدة مرات من الذهب الطبيعي. لن تحل المفاعلات محل منجم المعادن الثمينة. لكن النظائر والعناصر الاصطناعية المنتجة فيها (لأغراض الطب والطاقة والبحث العلمي) أكثر قيمة من الذهب.
8. سيكلوترون تاريخي يصنع العناصر القليلة الأولى بعد اليورانيوم في الجدول الدوري (مختبر لورنس للإشعاع ، جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، آب / أغسطس 1939)
بالنسبة للقراء الذين يرغبون في استكشاف القضايا المثارة في النص ، أوصي بسلسلة من المقالات كتبها السيد توماش سوفينسكي. ظهرت في "Young Technics" عام 2006-2010 (تحت عنوان "كيف اكتشفوا"). النصوص متاحة أيضًا على موقع المؤلف على الويب على العنوان التالي:.
دورة "مع ذرة إلى الأبد»بدأ بالتذكير بأن القرن الماضي كان يُطلق عليه غالبًا عصر الذرة. بالطبع ، لا يسع المرء إلا أن يلاحظ الإنجازات الأساسية للفيزيائيين والكيميائيين في القرن التاسع عشر في بنية المادة. ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، تتوسع المعرفة حول العالم المصغر بشكل أسرع وأسرع ، ويتم تطوير التقنيات التي تسمح بمعالجة الذرات والجزيئات الفردية. وهذا يعطينا الحق في أن نقول إن العمر الحقيقي للذرة لم يحن بعد.
