עם אטום לאורך הדורות - חלק 3
המודל הפלנטרי של האטום של רתרפורד היה קרוב יותר למציאות מ"פודינג הצימוקים" של תומסון. עם זאת, חיי המושג הזה נמשכו רק שנתיים, אבל לפני שמדברים על יורש, הגיע הזמן לפענח את סודות האטום הבאים.
1. איזוטופי מימן: פרוט ודוטריום יציבים וטריטיום רדיואקטיבי (צילום: BruceBlaus/Wikimedia Commons).
מפולת שלגים גרעינית
גילוי תופעת הרדיואקטיביות, שסימן את תחילת פתיחת מסתורי האטום, איים בתחילה על בסיס הכימיה - חוק המחזוריות. בתוך זמן קצר זוהו כמה עשרות חומרים רדיואקטיביים. לחלקם היו אותן תכונות כימיות, למרות המסה האטומית השונה, בעוד שלאחרים, בעלי אותן מסות, היו תכונות שונות. יתרה מכך, באזור הטבלה המחזורית שבו היו צריכים להיות ממוקמים בשל משקלם, לא היה מספיק מקום פנוי כדי להכיל את כולם. הטבלה המחזורית אבדה עקב מפולת של תגליות.
2. העתק של ספקטרומטר המסה של ג'יי ג'יי תומפסון משנת 1911 (צילום: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)
גרעין אטומי
זה 10-100 אלף. קטן פי כמה מכל האטום. אם גרעין של אטום מימן היה מורחב לגודל של כדור בקוטר 1 ס"מ וממוקם במרכז מגרש כדורגל, אז אלקטרון (קטן יותר מראש סיכה) היה נמצא בקרבת שער. (מעל 50 מ').
כמעט כל המסה של האטום מרוכזת בגרעין, למשל, עבור זהב זה כמעט 99,98%. דמיינו לעצמכם קובייה של מתכת זו במשקל 19,3 טון. את כל גרעינים של אטומים לזהב נפח כולל של פחות מ-1/1000 מ"מ (כדור בקוטר של פחות מ-3 מ"מ). לכן, האטום נורא ריק. על הקוראים לחשב את הצפיפות של חומר הבסיס.
הפתרון לבעיה זו נמצא ב-1910 על ידי פרדריק סודי. הוא הציג את המושג איזוטופים, כלומר. זנים של אותו יסוד הנבדלים במסה האטומית שלהם (1). לפיכך, הוא הטיל ספק בהנחה נוספת של דלתון - מאותו רגע, יסוד כימי לא אמור להיות מורכב יותר מאטומים מאותה מסה. ההשערה האיזוטופית, לאחר אישור ניסוי (ספקטרוגרף מסה, 1911), אפשרה גם להסביר את ערכי השבר של המסה האטומית של כמה יסודות - רובם הם תערובות של איזוטופים רבים, ו מסה אטומית הוא הממוצע המשוקלל של המסות של כולם (2).
רכיבי ליבה
תלמיד אחר של רתרפורד, הנרי מוסלי, חקר קרני רנטגן שנפלטו מאלמנטים ידועים ב-1913. בניגוד לספקטרום אופטי מורכב, ספקטרום קרני הרנטגן הוא פשוט מאוד - כל יסוד פולט רק שני אורכי גל, שאורכי הגל שלהם מתואמים בקלות עם המטען של גרעין האטום שלו.
3. אחת ממכונות הרנטגן בהן השתמש מוסלי (צילום: Magnus Manske/Wikimedia Commons)
זה איפשר לראשונה להציג את המספר האמיתי של היסודות הקיימים, וכן לקבוע כמה מהם עדיין לא מספיקים כדי למלא את החסר בטבלה המחזורית (3).
חלקיק הנושא מטען חיובי נקרא פרוטון (פרוטון ביוונית = ראשון). בעיה נוספת התעוררה מיד. המסה של פרוטון שווה בערך ליחידה אחת. ואילו גרעין אטום לנתרן עם מטען של 11 יחידות יש מסה של 23 יחידות? כך, כמובן, לגבי אלמנטים אחרים. זה אומר שחייבים להיות חלקיקים אחרים שנמצאים בגרעין ואין להם מטען. בתחילה, הפיזיקאים הניחו כי מדובר בפרוטונים הקשורים בחוזקה עם אלקטרונים, אך בסופו של דבר הוכח כי הופיע חלקיק חדש - הנייטרון (סירוס לטיני = ניטרלי). הגילוי של החלקיק היסודי הזה (מה שמכונה "הלבנים" הבסיסיות המרכיבות את כל החומר) נעשה ב-1932 על ידי הפיזיקאי האנגלי ג'יימס צ'דוויק.
פרוטונים וניוטרונים יכולים להפוך זה לזה. פיזיקאים משערים שהם צורות של חלקיק הנקרא נוקלאון (גרעין לטינית = גרעין).
מכיוון שהגרעין של האיזוטופ הפשוט ביותר של מימן הוא פרוטון, ניתן לראות שוויליאם פרוט בהשערת ה"מימן" שלו בנייה אטומית הוא לא טעה מדי (ראה: "עם האטום לאורך הדורות - חלק 2"; "טכנאי צעיר" מס' 8/2015). בתחילה אף היו תנודות בין השמות פרוטון ו"פרוטון".
4. תאי פוטו בסיום - בסיס עבודתם הוא האפקט הפוטואלקטרי (צילום: Ies / Wikimedia Commons)
לא הכל מותר
לדגם של רתרפורד בזמן הופעתו היה "פגם מולד". על פי חוקי האלקטרודינמיקה של מקסוול (שאושרו על ידי שידורי רדיו שכבר פעלו באותה תקופה), אלקטרון שנע במעגל צריך להקרין גל אלקטרומגנטי.
לפיכך, הוא מאבד אנרגיה, וכתוצאה מכך הוא נופל על הגרעין. בתנאים נורמליים, אטומים אינם מקרינים (נוצרים ספקטרים בעת חימום לטמפרטורות גבוהות) ואינם נצפים קטסטרופות אטומיות (משך החיים המשוער של אלקטרון הוא פחות ממיליונית השנייה).
המודל של רתרפורד הסביר את התוצאה של ניסוי פיזור החלקיקים, אך עדיין לא תאם את המציאות.
בשנת 1913, אנשים "התרגלו" לעובדה שאנרגיה במיקרוקוסמוס נלקחת ונשלחת לא בכמות כלשהי, אלא במנות, הנקראות קוונטות. על בסיס זה, מקס פלאנק הסביר את אופי ספקטרום הקרינה הנפלטים מגופים מחוממים (1900), ואלברט איינשטיין (1905) הסביר את סודות האפקט הפוטואלקטרי, כלומר פליטת אלקטרונים על ידי מתכות מוארות (4).
5. תמונת עקיפה של אלקטרונים על גביש תחמוצת טנטלום מראה את המבנה הסימטרי שלו (צילום: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)
הפיזיקאי הדני נילס בוהר, בן 28, שיפר את מודל האטום של ראתרפורד. הוא הציע כי אלקטרונים נעים רק במסלולים העונים על תנאי אנרגיה מסוימים. בנוסף, האלקטרונים אינם פולטים קרינה תוך כדי תנועה, ואנרגיה נספגת ונפלטת רק כאשר הם עוברים בין מסלולים. ההנחות סתרו את הפיזיקה הקלאסית, אך התוצאות שהתקבלו על בסיסן (גודל אטום המימן ואורך קווי הספקטרום שלו) התבררו כעקבות עם הניסוי. חדש נולד דגם atomu.
למרבה הצער, התוצאות היו תקפות רק עבור אטום המימן (אך לא הסבירו את כל התצפיות הספקטרליות). לגבי אלמנטים אחרים, תוצאות החישוב לא התאימו למציאות. לפיכך, לפיזיקאים עדיין לא היה מודל תיאורטי של האטום.
התעלומות החלו להתבהר לאחר אחת עשרה שנים. עבודת הדוקטורט של הפיזיקאי הצרפתי לודוויק דה ברולי עסקה בתכונות הגל של חלקיקי החומר. כבר הוכח שאור, בנוסף למאפיינים האופייניים של גל (דיפרקציה, שבירה), מתנהג גם כמו אוסף של חלקיקים - פוטונים (למשל התנגשויות אלסטיות עם אלקטרונים). אבל חפצים המוניים? ההצעה נראתה כמו חלום צינור עבור נסיך שרצה להיות פיזיקאי. עם זאת, בשנת 1927 בוצע ניסוי שאישר את ההשערה של דה ברוגלי - קרן האלקטרונים התפרקה על גבי גביש מתכת (5).
מאיפה הגיעו האטומים?
כמו כולם: המפץ הגדול. פיזיקאים מאמינים שממש בשבריר שנייה מפרוטונים של "נקודת האפס" נוצרו נויטרונים ואלקטרונים, כלומר האטומים המרכיבים אותם. כמה דקות לאחר מכן (כשהיקום התקרר וצפיפות החומר ירדה), הנוקלונים התמזגו יחד ויצרו גרעינים של יסודות שאינם מימן. נוצרה הכמות הגדולה ביותר של הליום, כמו גם עקבות של שלושת היסודות הבאים. רק לאחר 100 XNUMX במשך שנים רבות, התנאים אפשרו לאלקטרונים להיקשר לגרעינים - האטומים הראשונים נוצרו. נאלצתי לחכות הרבה זמן לגרסה הבאה. תנודות אקראיות בצפיפות גרמו להיווצרות צפיפות, שכפי שהופיעו, משכו עוד ועוד חומר. עד מהרה, בחשכת היקום, התלקחו הכוכבים הראשונים.
לאחר כמיליארד שנים, חלקם החלו למות. בקורס שלהם הם הפיקו גרעינים של אטומים עד לברזל. עכשיו, כשהם מתו, הם הפיצו אותם בכל האזור, וכוכבים חדשים נולדו מהאפר. למאסיבי שבהם היה סוף מרהיב. במהלך פיצוצי סופרנובה, הגרעינים הופצצו בכל כך הרבה חלקיקים עד שנוצרו אפילו היסודות הכבדים ביותר. הם יצרו כוכבים חדשים, כוכבי לכת, ועל כמה כדורים - חיים.
קיומם של גלי חומר הוכח. מאידך, אלקטרון באטום נחשב לגל עומד, שבגללו הוא אינו מקרין אנרגיה. תכונות הגל של אלקטרונים נעים שימשו ליצירת מיקרוסקופים אלקטרונים, שאפשרו לראות אטומים לראשונה (6). בשנים שלאחר מכן, עבודתם של ורנר הייזנברג וארווין שרדינגר (על בסיס השערת דה ברוגלי) אפשרה לפתח מודל חדש של קליפות האלקטרונים של האטום, המבוסס לחלוטין על ניסיון. אבל אלו שאלות מעבר לתחום המאמר.
חלומם של האלכימאים התגשם
טרנספורמציות רדיואקטיביות טבעיות, שבהן נוצרים יסודות חדשים, ידועות מסוף המאה ה-1919. ב-XNUMX, משהו שרק הטבע היה מסוגל לו עד עכשיו. ארנסט רתרפורד בתקופה זו עסק באינטראקציה של חלקיקים עם חומר. במהלך הבדיקות הוא הבחין שהפרוטונים מופיעים כתוצאה מהקרנה בגז חנקן.
ההסבר היחיד לתופעה היה התגובה בין גרעיני הליום (חלקיק וגרעין של איזוטופ של יסוד זה) לחנקן (7). כתוצאה מכך נוצרים חמצן ומימן (פרוטון הוא הגרעין של האיזוטופ הקל ביותר). חלומם של האלכימאים להתמרה התגשם. בעשורים הבאים יוצרו יסודות שאינם מצויים בטבע.
תכשירים רדיואקטיביים טבעיים הפולטים חלקיקי א-לא התאימו עוד למטרה זו (מחסום קולומב של גרעינים כבדים גדול מכדי שחלקיק קל יתקרב אליהם). המאיצים, שהעניקו אנרגיה עצומה לגרעיני האיזוטופים הכבדים, התבררו כ"תנורים אלכימיים", שבהם ניסו אבותיהם של הכימאים של ימינו להשיג את "מלך המתכות" (8).
בעצם, מה עם זהב? אלכימאים השתמשו לרוב בכספית כחומר גלם לייצורה. חייבים להודות שבמקרה הזה היה להם "אף" אמיתי. זהב מלאכותי הושג לראשונה מכספית שטופלה בניוטרונים בכור גרעיני. חתיכת המתכת הוצגה ב-1955 בוועידת האטום של ז'נבה.
איור 6. אטומים על פני השטח של זהב, הנראים בתמונה במיקרוסקופ מנהור סורק.
7. תכנית ההתמרה האנושית הראשונה של היסודות
הידיעה על הישגם של הפיזיקאים אף עוררה סערה קצרה בבורסות העולם, אך דיווחי העיתונות הסנסציוניים הופרכו על ידי מידע על מחיר העפרה שנכרה בדרך זו - הוא יקר פי כמה מזהב טבעי. כורים לא יחליפו את מכרה המתכת היקרה. אבל האיזוטופים והיסודות המלאכותיים המיוצרים בהם (למטרות רפואה, אנרגיה, מחקר מדעי) יקרים הרבה יותר מזהב.
8. ציקלוטרון היסטורי המסנתז את היסודות הראשונים אחרי אורניום בטבלה המחזורית (מעבדת קרינה לורנס, אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, אוגוסט 1939)
לקוראים שירצו לחקור את הנושאים המועלים בטקסט, אני ממליץ על סדרת מאמרים מאת מר תומאש סובינסקי. הופיע ב"טכניקה צעירה" בשנים 2006-2010 (תחת הכותרת "איך הם גילו"). הטקסטים זמינים גם באתר האינטרנט של המחבר בכתובת: .
מחזור "עם אטום במשך מאות שנים» הוא פתח בתזכורת לכך שהמאה הקודמת נקראה לעתים קרובות עידן האטום. כמובן, אי אפשר שלא לשים לב להישגים הבסיסיים של פיזיקאים וכימאים של המאה XNUMX במבנה החומר. עם זאת, בשנים האחרונות הידע על המיקרוקוסמוס מתרחב מהר יותר ויותר, מתפתחות טכנולוגיות המאפשרות מניפולציה של אטומים ומולקולות בודדות. זה נותן לנו את הזכות לומר שהגיל האמיתי של האטום עדיין לא הגיע.
