Atomo batekin adinetan zehar - 3. zatia

Rutherforden atomo-eredu planetarioa errealitatetik gertuago zegoen Thomsonen "mahaspasen esnea" baino. Hala ere, kontzeptu honen bizitzak bi urte baino ez zituen iraun, baina ondorengo bati buruz hitz egin aurretik, hurrengo sekretu atomikoak argitzeko garaia da.

1. Hidrogeno isotopoak: prot eta deuterio egonkorrak eta tritio erradioaktiboa (argazkia: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

elur-jausi nuklearra

Erradioaktibitatearen fenomenoaren aurkikuntzak, atomoaren misterioak argitzeko hasiera markatu zuenak, hasieran kimikaren oinarria mehatxatu zuen - aldizkakotasunaren legea. Denbora gutxian, dozenaka substantzia erradioaktibo identifikatu ziren. Batzuek propietate kimiko berdinak zituzten, masa atomiko desberdina izan arren, beste batzuek, masa berdinekin, propietate desberdinak zituzten. Gainera, pisuagatik jarri behar ziren taula periodikoaren eremuan, ez zegoen leku libre nahikorik guztiak sartzeko. Taula periodikoa aurkikuntza-jausi baten ondorioz galdu zen.

2. J.J. Thompson-en 1911ko masa-espektrometroaren erreplika (argazkia: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

nukleo atomikoa

Hau 10-100 mila da. atomo osoa baino aldiz txikiagoa. Hidrogeno atomo baten nukleoa 1 cm-ko diametroa duen baloi baten tamainara handitu eta futbol zelai baten erdian kokatuko balitz, orduan elektroi bat (pinhead bat baino txikiagoa) ate baten inguruan egongo litzateke. (50 m baino gehiago).

Atomo baten ia masa osoa nukleoan kontzentratzen da, adibidez, urrearentzat ia %99,98 da. Imajinatu metal honen kubo bat 19,3 tona pisatzen duena. Denak atomoen nukleoak urreak 1/1000 mm3-tik beherako bolumen osoa du (0,1 mm-tik beherako diametroa duen bola). Horregatik, atomoa izugarri hutsik dago. Irakurleek oinarrizko materialaren dentsitatea kalkulatu behar dute.

Arazo honen konponbidea 1910ean aurkitu zuen Frederick Soddyk. Isotopoen kontzeptua sartu zuen, hau da. masa atomikoan desberdinak diren elementu beraren barietateak (1). Hala, Daltonen beste postulatu bat zalantzan jarri zuen -une horretatik aurrera, elementu kimiko batek ez luke masa bereko atomoz osatu behar-. Hipotesi isotopikoak, berrespen esperimentalaren ondoren (masa espektrografoa, 1911), elementu batzuen masa atomikoaren balio zatikiak azaltzea ere posible egin zuen - gehienak isotopo askoren nahasketak dira, eta masa atomikoa horien guztien masen batez besteko haztatua da (2).

Kernelaren osagaiak

Rutherforden beste ikasle batek, Henry Moseleyk, elementu ezagunek igorritako X izpiak aztertu zituen 1913an. Espektro optiko konplexuak ez bezala, X izpien espektroa oso erraza da: elementu bakoitzak bi uhin-luzera baino ez ditu igortzen, eta horien uhin-luzerak erraz erlazionatzen dira bere nukleo atomikoaren kargarekin.

3. Moseleyk erabiltzen dituen X izpien makinetako bat (argazkia: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Horri esker, lehen aldiz existitzen diren elementuen benetako kopurua aurkeztea ahalbidetu zuen, baita haietako zenbat ez diren oraindik taula periodikoaren hutsuneak betetzeko (3) nahikoa zehaztea ere.

Karga positiboa daraman partikula bati protoi deitzen zaio (grezierazko protoia = lehena). Berehala beste arazo bat sortu zen. Protoi baten masa gutxi gorabehera unitate 1aren berdina da. Aldiz nukleo atomikoa 11 unitateko karga duen sodioak 23 unitateko masa du? Gauza bera gertatzen da, noski, beste elementu batzuekin. Horrek esan nahi du nukleoan beste partikula batzuk egon behar direla eta kargarik ez dutenak. Hasieran, hauek elektroiekin oso lotuta zeuden protoiak zirela uste zuten fisikariek, baina azkenean partikula berri bat agertu zela frogatu zen - neutroia (latinez neutro = neutroa). Oinarrizko partikula honen aurkikuntza (materia guztia osatzen duten oinarrizko "adreiluak" deiturikoak) James Chadwick fisikari ingelesak egin zuen 1932an.

Protoiak eta neutroiak elkar bihur daitezke. Fisikariek espekulatzen dute nukleoi izeneko partikula baten formak direla (latinez nukleoa = nukleoa).

Hidrogeno isotopo sinpleenaren nukleoa protoi bat denez, William Prout-ek bere "hidrogeno" hipotesian atomoen eraikuntza ez zegoen oso oker (ikus: “Atomoarekin aroetan zehar - 2. zatia”; “Teknikari gaztea” 8/2015 zk.). Hasieran, protoi eta "protoi" izenen artean gorabeherak ere egon ziren.

4. Fotozelulak akaberan - euren lanaren oinarria efektu fotoelektrikoa da (argazkia: Ies / Wikimedia Commons)

Ez dago dena onartzen

Agertu zen unean Rutherforden ereduak "sortzetiko akatsa" zuen. Maxwell-en elektrodinamikaren legeen arabera (garai hartan jada funtzionatzen zuen irrati-emisioak baieztatuta), zirkulu batean higitzen den elektroi batek uhin elektromagnetiko bat irradiatu beharko luke.

Horrela, energia galtzen du, eta horren ondorioz nukleora erortzen da. Baldintza normaletan, atomoek ez dute irradiatzen (tenperatura altuetara berotzean espektroak sortzen dira) eta ez dira hondamendi atomikorik ikusten (elektroi baten bizi-iraupena segundo baten milioiren bat baino txikiagoa da).

Rutherforden ereduak partikulen sakabanaketa esperimentuaren emaitza azaltzen zuen, baina oraindik ez zetorren errealitatearekin bat.

1913an, jendea "ohitu" egin zen mikrokosmosan energia hartzen eta bidaltzen ez zela edozein kantitatetan, zatitan baizik, kuantia deiturikoa. Oinarri horretatik abiatuta, Max Planck-ek berotutako gorputzek igorritako erradiazioen espektroen izaera azaldu zuen (1900), eta Albert Einsteinek (1905) efektu fotoelektrikoaren sekretuak, hau da, argiztaturiko metalek elektroien igorpena (4).

5. Elektroien difrakzio-irudiak tantalio oxidoaren kristal batean bere egitura simetrikoa erakusten du (argazkia: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Niels Bohr 28 urteko fisikari daniarrak Rutherforden atomoaren eredua hobetu zuen. Elektroiak energia-baldintza batzuk betetzen dituzten orbitetan soilik mugitzen direla iradoki zuen. Horrez gain, elektroiek ez dute erradiaziorik igortzen mugitzen diren heinean, eta energia orbitaren artean desbideratzen denean soilik xurgatzen eta igortzen da. Suposizioak kontraesanean zeuden fisika klasikoarekin, baina haien oinarrian lortutako emaitzak (hidrogeno atomoaren tamaina eta bere espektroaren lerroen luzera) esperimentuarekin bat datoz. jaioberria eredu atomu.

Zoritxarrez, emaitzek hidrogeno atomorako bakarrik balio zuten (baina ez zituzten behaketa espektral guztiak azaltzen). Beste elementu batzuetarako, kalkuluaren emaitzak ez zetozen errealitatearekin bat. Beraz, fisikariek oraindik ez zuten atomoaren eredu teorikorik.

Hamaika urteren buruan misterioak argitzen hasi ziren. Ludwik de Broglie fisikari frantziarraren doktorego tesian material partikulen uhin-propietateez aritu zen. Dagoeneko frogatuta dago argiak, uhin baten ezaugarri tipikoez gain (difrakzioa, errefrakzioa), partikulen bilduma baten antzera jokatzen duela - fotoiak (adibidez, elektroiekiko talka elastikoak). Baina masa objektuak? Iradokizunak amets bat zirudien fisikari bihurtu nahi zuen printze bati. Hala ere, 1927an de Broglieren hipotesia baieztatu zuen esperimentu bat egin zen -elektroi-sorta metalezko kristal batean difraktatuta (5).

Nondik atera ziren atomoak?

Beste guztiak bezala: Big Bang. Fisikariek uste dute literalki "zero puntutik" segundo baten zati batean protoiak, neutroiak eta elektroiak, hau da, atomo osagaiak, sortu zirela. Minutu batzuk geroago (unibertsoa hoztu eta materiaren dentsitatea gutxitu zenean), nukleoiak bat egin zuten, hidrogenoa ez den beste elementu batzuen nukleoak osatuz. Helio kopuru handiena sortu zen, baita ondorengo hiru elementuen arrastoak ere. 100 XNUMX ondoren bakarrik Urte askotan, baldintzek elektroiak nukleoetara lotzea ahalbidetu zuten - lehenengo atomoak sortu ziren. Aspaldi itxaron behar izan nuen hurrengorako. Dentsitatearen zorizko gorabeherek dentsitateen sorrera eragin zuten, eta horiek, agertu ahala, gero eta materia gehiago erakartzen zuten. Handik gutxira, unibertsoaren iluntasunean, lehen izarrak piztu ziren.

Mila milioi urte inguru igaro ondoren, horietako batzuk hiltzen hasi ziren. Euren ikastaroan ekoitzi zuten atomoen nukleoak burdinara behera. Orain, hil zirenean, eskualdean zehar zabaldu zituzten, eta errautsetatik izar berriak sortu ziren. Horietatik masiboenek amaiera ikusgarria izan zuten. Supernoben leherketetan, nukleoak hainbeste partikulaz bonbardatu zituzten, elementu astunenak ere sortu baitziren. Izar berriak, planetak eta globo batzuetan -bizia- sortu zituzten.

Frogatuta dago materia-uhinen existentzia. Bestalde, atomo bateko elektroi bat uhin geldikortzat hartzen zen, eta horregatik ez du energiarik irradiatzen. Mugitzen diren elektroien uhin-propietateak mikroskopio elektronikoak sortzeko erabili ziren, eta horri esker atomoak lehen aldiz ikusteko aukera izan zuten (6). Hurrengo urteetan, Werner Heisenberg eta Erwin Schrödingerren lanak (de Broglie-ren hipotesian oinarrituta) atomoaren elektroi-geruza eredu berri bat garatzea ahalbidetu zuen, esperientzian guztiz oinarrituta. Baina hauek artikuluaren esparrutik kanpo dauden galderak dira.

Alkimisten ametsa egi bihurtu zen

Eraldaketa erradioaktibo naturalak, zeinetan elementu berriak sortzen diren, 1919. mendearen amaieratik ezagutzen dira. XNUMX-en, orain arte naturak bakarrik gai izan den zerbait. Ernest Rutherford garai honetan partikulen materiarekin elkarrekintzan aritu zen. Probetan, protoiak nitrogeno gasarekin irradiatzearen ondorioz agertzen zirela ohartu zen.

Fenomenoaren azalpen bakarra helio nukleoen (partikula bat eta elementu honen isotopo baten nukleoa) eta nitrogenoaren (7) arteko erreakzioa izan zen. Ondorioz, oxigenoa eta hidrogenoa sortzen dira (protoi bat da isotopo arinenaren nukleoa). Alkimisten transmutazioaren ametsa egi bihurtu da. Hurrengo hamarkadetan naturan aurkitzen ez diren elementuak sortu ziren.

A-partikulak igortzen zituzten prestakin erradioaktibo naturalak jada ez ziren horretarako egokiak (nukleo astunen Coulomb-eko hesia handiegia da partikula arin bat bertara hurbiltzeko). Azeleragailuak, isotopo astunen nukleoei energia izugarria ematen zieten, "labe alkimikoak" izan ziren, zeinetan egungo kimikarien arbasoek "metalen erregea" lortzen saiatzen ziren (8).

Egia esan, zer gertatzen da urrea? Alkimistek gehienetan merkurioa erabiltzen zuten bere ekoizpenerako lehengai gisa. Onartu beharra dago kasu honetan benetako “sudurra” zutela. Erreaktore nuklear batean neutroiekin tratatutako merkuriotik lortu zen lehen aldiz urre artifiziala. Metalezko pieza 1955ean erakutsi zuten Genevako Atomic Conference-n.

6. irudia. Urrearen gainazaleko atomoak, ekorketa-tunel-mikroskopioan irudian ikusgai.

7. Elementuen gizakiaren lehen transmutazioaren eskema

Fisikarien lorpenaren albisteak zalaparta laburra ere eragin zuen munduko burtsetan, baina prentsako txosten sentsazionalek horrela ustiatutako mineralaren prezioari buruzko informazioak gezurtatu zituzten - urre naturala baino askotan garestiagoa da. Erreaktoreek ez dute metal preziatuen meategia ordezkatuko. Baina horietan ekoizten diren isotopo eta elementu artifizialek (medikuntzarako, energiarako, ikerketa zientifikorako) urrea baino askoz ere baliotsuagoak dira.

8. Ziklotroi historikoa taula periodikoko uranioaren ondorengo lehen elementuak sintetizatzen (Lawrence Radiation Laboratory, Kaliforniako Unibertsitatea, Berkeley, 1939ko abuztua)

Testuan planteatutako gaiak aztertu nahi dituzten irakurleei, Tomasz Sowiński jaunaren artikulu sorta bat gomendatzen diet. 2006-2010 urteetan "Technics Young" atalean agertu zen ("Nola deskubritu zuten") goiburupean. Testuak egilearen webgunean ere eskura daitezke: .

zikloa"Atomo batekin urtetan» Iragan mendeari atomoaren aroa deitzen zitzaiola gogoraraziz hasi zen. Jakina, ezin da hutsik egin materiaren egituran XNUMX. mendeko fisikari eta kimikariek lortutako oinarrizko lorpenak. Hala ere, azken urteotan, mikrokosmosari buruzko ezagutza gero eta azkarrago zabaltzen ari da, atomo eta molekula indibidualak manipulatzeko aukera ematen duten teknologiak garatzen ari dira. Horrek atomoaren benetako adina oraindik iritsi ez dela esateko eskubidea ematen digu.