กับอะตอมผ่านวัย ตอนที่ 3

แบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ของรัทเธอร์ฟอร์ดใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากกว่า "พุดดิ้งลูกเกด" ของทอมสัน อย่างไรก็ตาม ชีวิตของแนวคิดนี้ใช้เวลาเพียงสองปี แต่ก่อนที่จะพูดถึงผู้สืบทอด ถึงเวลาที่จะไขความลับปรมาณูต่อไป

1. ไอโซโทปไฮโดรเจน: prot ที่เสถียรและดิวเทอเรียมและทริเทียมกัมมันตภาพรังสี (ภาพ: BruceBlaus / Wikimedia Commons)

หิมะถล่มนิวเคลียร์

การค้นพบปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการไขความลึกลับของอะตอมในขั้นต้นได้คุกคามพื้นฐานของเคมี - กฎแห่งความเป็นงวด ในเวลาอันสั้น มีการระบุสารกัมมันตภาพรังสีหลายสิบชนิด บางชนิดมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แม้ว่าจะมีมวลอะตอมต่างกัน ในขณะที่บางชนิดมีคุณสมบัติต่างกันซึ่งมีมวลเท่ากัน ยิ่งไปกว่านั้น ในพื้นที่ของตารางธาตุที่ควรจะวางไว้เนื่องจากน้ำหนักของมันนั้นไม่มีที่ว่างเพียงพอที่จะรองรับได้ทั้งหมด ตารางธาตุหายไปเนื่องจากมีการค้นพบมากมาย

2. แบบจำลองแมสสเปกโตรมิเตอร์ของ JJ Thompson ในปี 1911 (ภาพ: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

นิวเคลียสของอะตอม

นี่คือ 10-100 เล็กกว่าอะตอมทั้งหมดเท่าตัว หากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนถูกขยายให้มีขนาดเท่ากับลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 ซม. และวางไว้ที่ศูนย์กลางของสนามฟุตบอล อิเล็กตรอน (ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าหัวเข็มหมุด) จะอยู่ใกล้เป้าหมาย (มากกว่า 50 ม.)

มวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส ตัวอย่างเช่น สำหรับทองคำจะมีเกือบ 99,98% ลองนึกภาพลูกบาศก์ของโลหะนี้ที่มีน้ำหนัก 19,3 ตัน ทุกอย่าง นิวเคลียสของอะตอม ทองมีปริมาตรรวมน้อยกว่า 1/1000 mm3 (ลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 0,1 มม.) ดังนั้นอะตอมจึงว่างเปล่าอย่างมาก ผู้อ่านต้องคำนวณความหนาแน่นของวัสดุฐาน

วิธีแก้ปัญหานี้พบในปี 1910 โดย Frederick Soddy เขาแนะนำแนวคิดของไอโซโทปนั่นคือ ความหลากหลายของธาตุชนิดเดียวกันที่มีมวลอะตอมต่างกัน (1) ดังนั้นเขาจึงตั้งข้อสงสัยอีกข้อหนึ่งของดาลตัน - ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาองค์ประกอบทางเคมีไม่ควรประกอบด้วยอะตอมที่มีมวลเท่ากันอีกต่อไป สมมติฐานไอโซโทปหลังจากการยืนยันการทดลอง (mass spectrograph, 1911) ทำให้สามารถอธิบายค่าเศษส่วนของมวลอะตอมขององค์ประกอบบางส่วนได้ - ส่วนใหญ่เป็นส่วนผสมของไอโซโทปจำนวนมากและ มวลอะตอม คือค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของมวลทั้งหมด (2)

ส่วนประกอบเคอร์เนล

Henry Moseley นักเรียนของ Rutherford อีกคนหนึ่งศึกษารังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบที่รู้จักในปี 1913 ต่างจากสเปกตรัมแสงที่ซับซ้อน สเปกตรัมเอ็กซ์เรย์นั้นง่ายมาก - แต่ละองค์ประกอบปล่อยความยาวคลื่นเพียงสองความยาวคลื่น ซึ่งความยาวคลื่นนั้นสัมพันธ์กับประจุของนิวเคลียสของอะตอมได้ง่าย

3. หนึ่งในเครื่องเอ็กซ์เรย์ที่โมสลีย์ใช้ (ภาพ: Magnus Manske/ Wikimedia Commons)

ทำให้สามารถนำเสนอจำนวนธาตุที่มีอยู่จริงได้เป็นครั้งแรก รวมทั้งกำหนดจำนวนองค์ประกอบที่ยังไม่เพียงพอต่อการเติมช่องว่างในตารางธาตุ (3)

อนุภาคที่มีประจุบวกเรียกว่าโปรตอน (กรีกโปรตอน = ตัวแรก) ปัญหาอื่นก็เกิดขึ้นทันที มวลของโปรตอนมีค่าประมาณ 1 หน่วย ในทางตรงกันข้าม นิวเคลียสของอะตอม โซเดียมที่มีประจุ 11 หน่วย มีมวล 23 หน่วย? แน่นอนว่าเช่นเดียวกันกับองค์ประกอบอื่นๆ ซึ่งหมายความว่าต้องมีอนุภาคอื่นอยู่ในนิวเคลียสและไม่มีประจุ ในขั้นต้น นักฟิสิกส์สันนิษฐานว่าโปรตอนเหล่านี้มีพันธะกับอิเล็กตรอนอย่างแน่นหนา แต่ในที่สุดก็ได้รับการพิสูจน์ว่ามีอนุภาคใหม่ปรากฏขึ้น - นิวตรอน (ภาษาละติน neuter = เป็นกลาง) การค้นพบอนุภาคมูลฐานนี้ (ที่เรียกว่า "ก้อนอิฐ" พื้นฐานที่ประกอบเป็นสสารทั้งหมด) เกิดขึ้นในปี พ.ศ. 1932 โดยเจมส์ แชดวิค นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ

โปรตอนและนิวตรอนสามารถเปลี่ยนเป็นกันและกันได้ นักฟิสิกส์คาดเดาว่าพวกมันเป็นรูปแบบของอนุภาคที่เรียกว่านิวคลีออน (ละตินนิวเคลียส = นิวเคลียส)

เนื่องจากนิวเคลียสของไอโซโทปไฮโดรเจนที่ง่ายที่สุดคือโปรตอน จะเห็นได้ว่า William Prout ในสมมติฐาน "ไฮโดรเจน" ของเขา การก่อสร้างอะตอม เขาก็ไม่ผิดด้วย (ดู: “กับอะตอมทะลุยุค - ตอนที่ 2”; “ช่างหนุ่ม” ครั้งที่ 8/2015) ในขั้นต้น มีแม้กระทั่งความผันผวนระหว่างชื่อโปรตอนและ "โปรตอน"

4. โฟโตเซลล์เมื่อเสร็จสิ้น - พื้นฐานของงานคือเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (ภาพถ่าย: Ies / Wikimedia Commons)

ไม่อนุญาติทุกอย่าง

แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดในช่วงเวลาที่ปรากฏมี "ข้อบกพร่องแต่กำเนิด" ตามกฎของแมกซ์เวลล์ของอิเล็กโทรไดนามิกส์ (ยืนยันโดยการกระจายเสียงวิทยุที่ทำงานอยู่แล้วในขณะนั้น) อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมควรแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา

ดังนั้นมันจึงสูญเสียพลังงานซึ่งเป็นผลมาจากการที่มันตกลงบนนิวเคลียส ภายใต้สภาวะปกติ อะตอมจะไม่แผ่รังสี (สเปกตรัมจะเกิดขึ้นเมื่อถูกความร้อนที่อุณหภูมิสูง) และไม่พบความหายนะของอะตอม (อายุขัยโดยประมาณของอิเล็กตรอนจะน้อยกว่าหนึ่งในล้านของวินาที)

แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายผลการทดลองการกระเจิงของอนุภาค แต่ก็ยังไม่สอดคล้องกับความเป็นจริง

ในปีพ.ศ. 1913 ผู้คน "เคยชิน" กับความจริงที่ว่าพลังงานในพิภพเล็ก ๆ นั้นไม่ได้ถูกถ่ายและส่งไปในปริมาณใด ๆ แต่ในส่วนที่เรียกว่าควอนตา บนพื้นฐานนี้ Max Planck ได้อธิบายธรรมชาติของสเปกตรัมของรังสีที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่มีความร้อน (1900) และ Albert Einstein (1905) อธิบายความลับของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก กล่าวคือ การปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากโลหะเรืองแสง (4)

5. ภาพการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนบนผลึกแทนทาลัมออกไซด์แสดงโครงสร้างสมมาตร (ภาพ: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กวัย 28 ปี Niels Bohr ได้ปรับปรุงแบบจำลองอะตอมของ Rutherford เขาแนะนำว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรที่เป็นไปตามสภาวะพลังงานบางอย่างเท่านั้น นอกจากนี้ อิเล็กตรอนจะไม่ปล่อยรังสีออกมาในขณะที่เคลื่อนที่ และพลังงานจะถูกดูดกลืนและปล่อยออกมาก็ต่อเมื่อแบ่งระหว่างวงโคจรเท่านั้น สมมติฐานขัดแย้งกับฟิสิกส์คลาสสิก แต่ผลลัพธ์ที่ได้บนพื้นฐานของมัน (ขนาดของอะตอมไฮโดรเจนและความยาวของเส้นสเปกตรัม) กลับกลายเป็นว่าสอดคล้องกับการทดลอง เกิดใหม่ รุ่น อะตอม.

น่าเสียดาย ผลลัพธ์ใช้ได้เฉพาะกับอะตอมไฮโดรเจนเท่านั้น (แต่ไม่ได้อธิบายการสังเกตสเปกตรัมทั้งหมด) สำหรับองค์ประกอบอื่นๆ ผลการคำนวณไม่ตรงกับความเป็นจริง ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงยังไม่มีแบบจำลองทางทฤษฎีของอะตอม

ความลึกลับเริ่มชัดเจนขึ้นหลังจากผ่านไปสิบเอ็ดปี วิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Ludwik de Broglie ได้กล่าวถึงคุณสมบัติของคลื่นของอนุภาควัสดุ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าแสงนอกเหนือไปจากลักษณะทั่วไปของคลื่น (การเลี้ยวเบน การหักเห) ยังทำตัวเหมือนกลุ่มของอนุภาค - โฟตอน (เช่น การชนแบบยืดหยุ่นกับอิเล็กตรอน) แต่วัตถุมวล? คำแนะนำนี้ดูเหมือนความฝันของเจ้าชายที่ต้องการเป็นนักฟิสิกส์ อย่างไรก็ตาม ในปี พ.ศ. 1927 ได้มีการทดลองเพื่อยืนยันสมมติฐานของ de Broglie นั่นคือลำแสงอิเล็กตรอนหักเหบนผลึกโลหะ (5)

อะตอมมาจากไหน?

เช่นเดียวกับคนอื่น ๆ : บิ๊กแบง นักฟิสิกส์เชื่อว่าในเสี้ยววินาทีจากโปรตอน "จุดศูนย์" นิวตรอนและอิเล็กตรอนซึ่งก็คืออะตอมที่เป็นส่วนประกอบได้ถูกสร้างขึ้น ไม่กี่นาทีต่อมา (เมื่อเอกภพเย็นตัวลงและความหนาแน่นของสสารลดลง) นิวคลีออนก็รวมตัวกัน ก่อตัวเป็นนิวเคลียสของธาตุอื่นที่ไม่ใช่ไฮโดรเจน ฮีเลียมจำนวนมากที่สุดก่อตัวขึ้น เช่นเดียวกับร่องรอยของธาตุสามชนิดต่อไปนี้ หลังจาก 100 XNUMX เท่านั้น หลายปีที่ผ่านมาเงื่อนไขอนุญาตให้จับอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส - อะตอมแรกถูกสร้างขึ้น ฉันต้องรอเป็นเวลานานสำหรับครั้งต่อไป ความผันผวนของความหนาแน่นแบบสุ่มทำให้เกิดความหนาแน่น ซึ่งเมื่อปรากฏ ดึงดูดสสารมากขึ้นเรื่อยๆ ในไม่ช้า ในความมืดมิดของจักรวาล ดาวดวงแรกก็สว่างไสว

หลังจากนั้นประมาณหนึ่งพันล้านปี บางคนก็เริ่มตาย ในหลักสูตรของพวกเขาพวกเขาผลิต นิวเคลียสของอะตอม ลงไปรีด บัดนี้เมื่อพวกมันสิ้นชีวิตพวกมันก็กระจายไปทั่วภูมิภาค และดวงดาวดวงใหม่ก็ถือกำเนิดขึ้นจากขี้เถ้า ที่ใหญ่ที่สุดของพวกเขามีจุดจบที่น่าประทับใจ ระหว่างการระเบิดของซุปเปอร์โนวา นิวเคลียสถูกระดมยิงด้วยอนุภาคจำนวนมาก แม้กระทั่งธาตุที่หนักที่สุดก็ยังก่อตัวขึ้น พวกเขาก่อกำเนิดดาวดวงใหม่ ดาวเคราะห์ และสิ่งมีชีวิตบนลูกโลกบางดวง

การมีอยู่ของคลื่นสสารได้รับการพิสูจน์แล้ว ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนในอะตอมถือเป็นคลื่นนิ่ง เนื่องจากไม่แผ่พลังงานออกมา คุณสมบัติของคลื่นของอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งทำให้สามารถมองเห็นอะตอมได้เป็นครั้งแรก (6) ในปีต่อๆ มา ผลงานของเวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์กและเออร์วิน ชโรดิงเงอร์ (บนพื้นฐานของสมมติฐานเดอบรอกลี) ทำให้สามารถพัฒนาแบบจำลองใหม่ของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมโดยอาศัยประสบการณ์โดยสิ้นเชิง แต่คำถามเหล่านี้เป็นคำถามที่อยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความ

ความฝันของนักเล่นแร่แปรธาตุกลายเป็นจริง

การเปลี่ยนแปลงของกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติซึ่งมีองค์ประกอบใหม่เกิดขึ้น เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 1919 ใน XNUMX สิ่งที่มีเพียงธรรมชาติเท่านั้นที่สามารถทำได้จนถึงขณะนี้ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดในช่วงเวลานี้มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคกับสสาร ในระหว่างการทดสอบ เขาสังเกตเห็นว่าโปรตอนปรากฏขึ้นจากการฉายรังสีด้วยก๊าซไนโตรเจน

คำอธิบายเพียงอย่างเดียวสำหรับปรากฏการณ์นี้คือปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสของฮีเลียม (อนุภาคและนิวเคลียสของไอโซโทปของธาตุนี้) กับไนโตรเจน (7) เป็นผลให้เกิดออกซิเจนและไฮโดรเจน (โปรตอนคือนิวเคลียสของไอโซโทปที่เบาที่สุด) ความฝันในการแปลงร่างของนักเล่นแร่แปรธาตุได้เป็นจริงแล้ว ในทศวรรษต่อมา มีการผลิตองค์ประกอบที่ไม่พบในธรรมชาติ

การเตรียมกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติที่ปล่อยอนุภาค a ไม่เหมาะสำหรับจุดประสงค์นี้อีกต่อไป (อุปสรรคคูลอมบ์ของนิวเคลียสหนักมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับอนุภาคเบาที่จะเข้าใกล้พวกมัน) เครื่องเร่งอนุภาคซึ่งให้พลังงานมหาศาลแก่นิวเคลียสของไอโซโทปหนัก กลายเป็น "เตาเล่นแร่แปรธาตุ" ซึ่งบรรพบุรุษของนักเคมีในปัจจุบันพยายามที่จะได้รับ "ราชาแห่งโลหะ" (8)

จริงๆ แล้วทองล่ะ? นักเล่นแร่แปรธาตุมักใช้ปรอทเป็นวัตถุดิบในการผลิต ต้องยอมรับว่าในกรณีนี้พวกเขามี "จมูก" ที่แท้จริง มันมาจากปรอทที่บำบัดด้วยนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ได้รับทองคำเทียมเป็นครั้งแรก ชิ้นโลหะถูกแสดงในปี 1955 ที่การประชุมเจนีวาอะตอมมิก

มะเดื่อ 6. อะตอมบนพื้นผิวของทองคำ มองเห็นได้ในภาพในกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน

7. แผนผังการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของมนุษย์ครั้งแรก

ข่าวความสำเร็จของนักฟิสิกส์ทำให้เกิดความปั่นป่วนในตลาดหุ้นโลกในช่วงสั้น ๆ แต่รายงานข่าวที่น่าตื่นเต้นถูกหักล้างด้วยข้อมูลเกี่ยวกับราคาของแร่ที่ขุดด้วยวิธีนี้ซึ่งมีราคาแพงกว่าทองคำธรรมชาติหลายเท่า เครื่องปฏิกรณ์จะไม่แทนที่เหมืองโลหะมีค่า แต่ไอโซโทปและธาตุเทียมที่ผลิตขึ้นในไอโซโทป (เพื่อวัตถุประสงค์ทางการแพทย์ พลังงาน การวิจัยทางวิทยาศาสตร์) นั้นมีค่ามากกว่าทองคำมาก

8. ไซโคลตรอนประวัติศาสตร์สังเคราะห์องค์ประกอบสองสามตัวแรกหลังยูเรเนียมในตารางธาตุ (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, สิงหาคม 1939)

สำหรับผู้อ่านที่ต้องการสำรวจประเด็นที่เกิดขึ้นในเนื้อหา ผมขอแนะนำชุดบทความของ Mr. Tomasz Sowiński ปรากฏตัวใน "Young Technics" ในปี 2006-2010 (ภายใต้หัวข้อ "พวกเขาค้นพบได้อย่างไร") ข้อความยังมีอยู่ในเว็บไซต์ของผู้เขียนที่:

วงจร "ด้วยปรมาณูสำหรับวัย» เขาเริ่มด้วยการเตือนว่าศตวรรษที่ผ่านมามักถูกเรียกว่าอายุของอะตอม แน่นอนว่าไม่มีใครพลาดความสำเร็จพื้นฐานของนักฟิสิกส์และนักเคมีของศตวรรษที่ XNUMX ในโครงสร้างของสสาร อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความรู้เกี่ยวกับพิภพเล็กกำลังขยายตัวเร็วขึ้นและเร็วขึ้น มีการพัฒนาเทคโนโลยีที่ช่วยให้สามารถจัดการกับอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวได้ นี่ทำให้เรามีสิทธิที่จะบอกว่าอายุที่แท้จริงของอะตอมยังมาไม่ถึง