与一个原子穿越千古 - 第 3 部分

卢瑟福的原子行星模型比汤姆森的“葡萄干布丁”更接近现实。 然而，这个概念的生命只持续了两年，但在谈论继任者之前，是时候解开下一个原子秘密了。

1. 氢同位素：稳定的氘和氘以及放射性氚（照片：BruceBlaus/Wikimedia Commons）。

核雪崩

放射性现象的发现标志着揭开原子之谜的开始，最初威胁到了化学的基础——周期性规律。 在很短的时间内，就发现了几十种放射性物质。 尽管原子质量不同，它们中的一些具有相同的化学性质，而具有相同质量的另一些具有不同的性质。 而且，在元素周期表中，由于重量应该放置它们的区域，没有足够的空间来容纳它们。 由于大量发现，元素周期表丢失了。

2. J.J. Thompson 1911 年质谱仪的复制品（照片：Jeff Dahl/Wikimedia Commons）

原子核

这是10-100万。 比整个原子小几倍。 如果将氢原子的原子核扩大到直径为 1 厘米的球大小并放在足球场的中心，那么电子（小于针头）将在球门附近（超过 50 m）。

几乎一个原子的全部质量都集中在原子核中，例如，对于金来说，它几乎是 99,98%。 想象一下重达 19,3 吨的这种金属的立方体。 一切 原子核 金的总体积小于 1/1000 mm3（一个直径小于 0,1 mm 的球）。 因此，原子是非常空的。 读者必须计算基材的密度。

1910 年，弗雷德里克·索迪 (Frederick Soddy) 找到了这个问题的解决方案。 他介绍了同位素的概念，即原子质量不同的同一元素的变体 (1)。 因此，他质疑道尔顿的另一个假设——从那一刻起，化学元素不应再由相同质量的原子组成。 同位素假说，经过实验证实（质谱仪，1911），也使得解释某些元素的原子质量分数值成为可能——它们中的大多数是许多同位素的混合物，并且 原子质量 是它们所有质量的加权平均值 (2)。

内核组件

卢瑟福的另一位学生亨利莫斯利在 1913 年研究了已知元素发出的 X 射线。 与复杂的光谱不同，X 射线光谱非常简单——每个元素只发射两个波长，这些波长很容易与其原子核的电荷相关联。

3. Moseley 使用的 X 光机之一（照片：Magnus Manske/Wikimedia Commons）

这使得第一次有可能呈现现有元素的真实数量，以及确定其中有多少仍然不足以填补元素周期表中的空白 (3)。

带有正电荷的粒子称为质子（希腊语 proton = first）。 另一个问题立刻出现了。 质子的质量大约等于 1 个单位。 然而 原子核 电荷为 11 个单位的钠质量为 23 个单位？ 当然，其他元素也是如此。 这意味着必须有其他粒子存在于原子核中并且不带电荷。 最初，物理学家假设这些是质子与电子的强结合，但最终证明出现了一种新粒子——中子（拉丁语 neuter = neutral）。 英国物理学家詹姆斯·查德威克 (James Chadwick) 于 1932 年发现了这种基本粒子（构成所有物质的所谓基本“砖块”）。

质子和中子可以相互转化。 物理学家推测它们是一种称为核子（拉丁语中的核=核）的粒子的形式。

由于氢的最简单同位素的原子核是质子，由此可见威廉·普劳特在他的“氢”假说中 原子构造 他并没有大错特错（参见：“随着原子的流逝 - 第 2 部分”；“Young Technician”第 8/2015 号）。 最初，质子和“质子”的名称甚至有起伏。

4. 终点处的光电管——他们工作的基础是光电效应（照片：Ies / Wikimedia Commons）

并非一切都被允许

卢瑟福的模型在其出现时有一个“先天缺陷”。 根据麦克斯韦电动力学定律（由当时已经起作用的无线电广播证实），在圆周运动的电子应该辐射电磁波。

因此，它失去了能量，结果它落到了原子核上。 在正常情况下，原子不会辐射（加热到高温时会形成光谱），也不会观察到原子灾难（电子的估计寿命小于百万分之一秒）。

卢瑟福的模型解释了粒子散射实验的结果，但仍不符合现实。

1913 年，人们“习惯”了这样一个事实，即微观世界中的能量不是以任何数量而是以称为量子的部分的形式被获取和发送的。 在此基础上，马克斯·普朗克解释了受热物体发出的辐射光谱的性质（1900 年），阿尔伯特·爱因斯坦（1905 年）解释了光电效应的奥秘，即发光金属发射电子（4）。

5. 氧化钽晶体上的电子衍射图像显示其对称结构（照片：Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons）

28 岁的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔改进了卢瑟福的原子模型。 他建议电子只在满足特定能量条件的轨道上移动。 此外，电子在移动时不会发射辐射，只有在轨道之间分流时才会吸收和发射能量。 这些假设与经典物理学相矛盾，但在其基础上获得的结果（氢原子的大小及其光谱线的长度）与实验一致。 新生 模型原子.

不幸的是，结果仅对氢原子有效（但不能解释所有的光谱观察结果）。 对于其他元素，计算结果与实际不符。 因此，物理学家还没有原子的理论模型。

十一年后，谜团开始解开。 法国物理学家路德维克·德布罗意 (Ludwik de Broglie) 的博士论文研究了物质粒子的波动特性。 已经证明，除了波的典型特征（衍射、折射）之外，光还表现得像粒子的集合——光子（例如，与电子的弹性碰撞）。 但是质量对象？ 对于一个想成为物理学家的王子来说，这个建议似乎是一个白日梦。 然而，在 1927 年进行的一项实验证实了德布罗意的假设 - 电子束在金属晶体上发生衍射 (5)。

原子从何而来？

和其他人一样：大爆炸。 物理学家认为，在从“零点”开始的几分之一秒内，质子、中子和电子，即构成原子，就形成了。 几分钟后（当宇宙冷却并且物质密度降低时），核子合并在一起，形成了氢以外的元素的原子核。 形成了最多的氦，以及以下三种元素的痕迹。 仅在 100 XNUMX 多年之后，条件允许电子与原子核结合 - 形成了第一个原子。 我不得不等待很长时间才能看到下一个。 密度的随机波动导致了密度的形成，当它们出现时，它吸引了越来越多的物质。 很快，在宇宙的黑暗中，第一颗星星突然亮了起来。

大约十亿年后，其中一些开始死亡。 在他们的课程中，他们制作了 原子核 到铁。 现在，当他们死去时，他们将它们散播到整个地区，新的恒星从灰烬中诞生。 其中最大的一个有一个壮观的结局。 在超新星爆炸期间，原子核受到如此多的粒子轰击，甚至形成了最重的元素。 它们形成了新的恒星、行星，并在一些地球仪上形成了生命。

物质波的存在已被证明。 另一方面，原子中的电子被认为是驻波，因此它不辐射能量。 移动电子的波动特性被用来制造电子显微镜，这使得人们第一次看到原子成为可能 (6)。 随后几年，Werner Heisenberg 和 Erwin Schrödinger（基于德布罗意假说）的工作使得完全基于经验开发原子电子壳层的新模型成为可能。 但这些问题超出了本文的范围。

炼金术士的梦想成真了

自 1919 世纪末以来，人们就知道其中形成新元素的自然放射性转变。 在 XNUMX 年，迄今为止只有大自然才能做到的事情。 欧内斯特·卢瑟福在此期间从事粒子与物质的相互作用。 在测试过程中，他注意到质子是在氮气照射下出现的。

对该现象的唯一解释是氦核（一种粒子和该元素同位素的核）与氮（7）之间的反应。 结果，形成了氧和氢（质子是最轻同位素的核）。 炼金术士的蜕变梦想实现了。 在接下来的几十年中，产生了自然界中没有的元素。

发射α粒子的天然放射性制剂不再适合此目的（重核的库仑势垒太大，轻粒子无法接近它们）。 加速器为重同位素的原子核提供了巨大的能量，结果证明是“炼金炉”，今天的化学家的祖先试图在其中获得“金属之王”（8）。

其实，黄金呢？ 炼金术士最常使用汞作为其生产原料。 必须承认，在这种情况下，他们有一个真正的“鼻子”。 人造金最初是由在核反应堆中用中子处理的汞制成的。 这块金属片于 1955 年在日内瓦原子会议上展出。

图 6. 金表面上的原子，在扫描隧道显微镜的图像中可见。

7. 人类第一次元素嬗变方案

物理学家取得成就的消息甚至在世界证券交易所引起了短暂的轰动，但耸人听闻的新闻报道被有关以这种方式开采的矿石价格的信息所驳斥——它比天然黄金贵很多倍。 反应堆不会取代贵金属矿。 但其中产生的同位素和人造元素（用于医学、能源、科学研究）比黄金有价值得多。

8. 合成元素周期表中铀之后的前几个元素的历史性回旋加速器（劳伦斯辐射实验室，加州大学伯克利分校，1939 年 XNUMX 月）

对于想要探讨文中提出的问题的读者，我推荐 Tomasz Sowiński 先生的一系列文章。 出现在 2006-2010 年的“Young Technics”中（在“他们如何发现”的标题下）。 这些文本也可以在作者的网站上找到： 。

循环 ”一个原子的年龄» 他首先提醒人们，过去的一个世纪通常被称为原子时代。 当然，我们不能不注意到 XNUMX 世纪物理学家和化学家在物质结构方面的基本成就。 然而，近年来，关于微观世界的知识正在越来越快地扩展，正在开发允许操纵单个原子和分子的技术。 这使我们有权说原子的真正年龄还没有到来。