Met een atoom door de eeuwen heen - deel 3

Rutherfords planetaire model van het atoom kwam dichter bij de werkelijkheid dan Thomsons ‘rozijnenpudding’. De levensduur van dit concept duurde echter slechts twee jaar, maar voordat we over een opvolger praten, is het tijd om de volgende atoomgeheimen te ontrafelen.

1. Isotopen van waterstof: stabiel prot en deuterium en radioactief tritium (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

Atomaire lawine

De ontdekking van het fenomeen radioactiviteit, die het begin markeerde van het ontrafelen van de mysteries van het atoom, bedreigde aanvankelijk de basis van de chemie: de wet van periodiciteit. In korte tijd werden enkele tientallen radioactieve stoffen geïdentificeerd. Sommigen van hen hadden dezelfde chemische eigenschappen, ondanks verschillende atoommassa’s, terwijl anderen, met dezelfde massa, verschillende eigenschappen hadden. Bovendien was er in het gebied van het periodiek systeem waar ze vanwege hun gewicht moesten worden geplaatst niet genoeg vrije ruimte om ze allemaal te huisvesten. Het periodiek systeem ging verloren als gevolg van een lawine van ontdekkingen.

2. Replica van de J.J. Thompson-massaspectrometer uit 1911 (foto: Jeff Dahl / Wikimedia Commons)

Atoomkern

Dit is 10-100 duizend. maal kleiner dan het gehele atoom. Als de kern van een waterstofatoom vergroot zou worden tot de grootte van een bal met een diameter van 1 cm en in het midden van een voetbalveld geplaatst zou worden, dan zou het elektron (kleiner dan de punt van een speld) in de buurt van het doel (meer dan 50 m).

Bijna de gehele massa van een atoom is geconcentreerd in de kern; voor goud is dit bijvoorbeeld bijna 99,98%. Stel je een kubus van dit metaal voor die 19,3 ton weegt. Alle atoomkernen goud heeft een totaal volume van minder dan 1/1000 mm3 (een balletje met een diameter van minder dan 0,1 mm). Daarom is het atoom vreselijk leeg. Lezers moeten de dichtheid van de onderliggende substantie berekenen.

De oplossing voor dit probleem werd in 1910 gevonden door Frederick Soddy. Hij introduceerde het concept van isotopen, d.w.z. variëteiten van hetzelfde element die verschillen in hun atomaire massa (1). Zo trok hij een ander postulaat van Dalton in twijfel: vanaf dat moment zou een scheikundig element niet langer moeten bestaan ​​uit atomen met dezelfde massa. De isotopenhypothese maakte het, na experimentele bevestiging (massaspectrograaf, 1911), ook mogelijk om de fractionele waarden van de atoommassa's van sommige elementen te verklaren - de meeste zijn mengsels van vele isotopen, en atoom massa is het gewogen gemiddelde van de massa's van allemaal (2).

Kernelcomponenten

Een andere student van Rutherford, Henry Moseley, bestudeerde in 1913 röntgenstralen uitgezonden door bekende elementen. In tegenstelling tot complexe optische spectra is het röntgenspectrum heel eenvoudig: elk element zendt slechts twee golven uit, waarvan de lengte gemakkelijk verband houdt met de lading van zijn atoomkern.

3. Een van de röntgenapparaten die Moseley gebruikte (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Dit maakte het voor het eerst mogelijk om het werkelijke aantal bestaande elementen weer te geven, en om te bepalen hoeveel daarvan nog ontbreken om de gaten in het periodiek systeem op te vullen (3).

Het deeltje dat een positieve lading draagt, wordt een proton genoemd (Grieks: proton = eerste). Er ontstond meteen een ander probleem. De massa van een proton is ongeveer 1 eenheid. Terwijl atoomkern natrium met een lading van 11 eenheden een massa heeft van 23 eenheden? Hetzelfde geldt natuurlijk voor andere elementen. Dit betekent dat er andere deeltjes in de kern aanwezig moeten zijn die geen lading hebben. Aanvankelijk gingen natuurkundigen ervan uit dat dit sterk gebonden protonen waren met elektronen, maar uiteindelijk werd bewezen dat er een nieuw deeltje verscheen - het neutron (Latijn onzijdig = neutraal). De ontdekking van dit elementaire deeltje (de zogenaamde basisstenen waaruit alle materie bestaat) werd in 1932 gedaan door de Engelse natuurkundige James Chadwick.

Protonen en neutronen kunnen in elkaar transformeren. Natuurkundigen theoretiseren dat het vormen zijn van een deeltje dat een nucleon wordt genoemd (Latijnse kern = kern).

Omdat de kern van de eenvoudigste isotoop van waterstof een proton is, is het duidelijk dat William Prout in zijn ‘waterstof’-hypothese atoom constructie hij had niet al te veel ongelijk (zie: "Met het atoom door de eeuwen heen - deel 2"; "Jonge technicus" nr. 8/2015). Aanvankelijk waren er zelfs schommelingen tussen de namen proton en "proton".

4. Fotocellen bij de finish - hun werk is gebaseerd op het foto-elektrische effect (foto: Ies/Wikimedia Commons)

Niet alles is toegestaan

Het model van Rutherford had een "geboorteafwijking" op het moment van introductie. Volgens de wetten van de elektrodynamica van Maxwell (bevestigd door radio-uitzendingen die toen al actief waren), zou een elektron dat in een cirkel beweegt een elektromagnetische golf moeten uitzenden.

Het verliest dus energie, waardoor het op de kern valt. Onder normale omstandigheden emitteren atomen niet (spectra worden gevormd bij verhitting tot hoge temperaturen) en worden er geen atoomrampen waargenomen (de geschatte levensduur van een elektron is minder dan een miljoenste van een seconde).

Het model van Rutherford verklaarde het resultaat van het deeltjesverstrooiingsexperiment, maar kwam nog steeds niet overeen met de werkelijkheid.

In 1913 raakten mensen eraan gewend dat energie in de microkosmos niet in welke hoeveelheid dan ook wordt opgenomen en verzonden, maar in porties die quanta worden genoemd. Op basis hiervan verklaarde Max Planck de aard van de stralingsspectra die worden uitgezonden door verwarmde lichamen (1900), en legde Albert Einstein (1905) de geheimen uit van het foto-elektrisch effect, dat wil zeggen de emissie van elektronen door verlichte metalen (4).

5. Een diffractiebeeld van elektronen op een tantaaloxidekristal toont de symmetrische structuur ervan (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

De 28-jarige Deense natuurkundige Niels Bohr verbeterde Rutherfords atoommodel. Hij stelde voor dat elektronen alleen bewegen in banen die aan bepaalde energievoorwaarden voldoen. Bovendien zenden elektronen geen straling uit tijdens het bewegen, en energie wordt alleen geabsorbeerd en geëmitteerd tijdens het rangeren tussen banen. De aannames waren in tegenspraak met de klassieke natuurkunde, maar de resultaten die op basis daarvan werden verkregen (de grootte van het waterstofatoom en de lengte van de lijnen van zijn spectrum) bleken consistent te zijn met het experiment. Er werd een nieuwe geboren model atom.

Helaas waren de resultaten alleen geldig voor het waterstofatoom (maar verklaarden niet alle spectrale waarnemingen). Voor de overige elementen kwamen de rekenresultaten niet overeen met de werkelijkheid. Natuurkundigen hadden dus nog geen theoretisch model van het atoom.

Mysteries begonnen na elf jaar op te helderen. Het proefschrift van de Franse natuurkundige Ludwik de Broglie handelde over de golfeigenschappen van materiële deeltjes. Het is al bewezen dat licht, naast de typische eigenschappen van een golf (diffractie, breking), zich ook gedraagt ​​als een verzameling deeltjes - fotonen (bijvoorbeeld elastische botsingen met elektronen). Maar massa-objecten? De suggestie leek een utopie voor een prins die natuurkundige wilde worden. In 1927 werd echter een experiment uitgevoerd dat de hypothese van De Broglie bevestigde: de elektronenstraal werd afgebogen op een metaalkristal (5).

Waar komen atomen vandaan?

Net als iedereen: de oerknal. Natuurkundigen geloven dat letterlijk in een fractie van een seconde vanaf het "nulpunt" protonen, neutronen en elektronen werden gevormd, dat wil zeggen de samenstellende atomen. Na een paar minuten (toen het heelal afkoelde en de dichtheid van de materie afnam), versmolten de nucleonen samen en vormden de kernen van andere elementen dan waterstof. De grootste hoeveelheid helium werd geproduceerd, evenals sporen van de volgende drie elementen. Pas na honderd jaar maakten de omstandigheden het mogelijk om elektronen aan kernen te binden: de eerste atomen werden gevormd. Op de volgende moesten we lang wachten. Willekeurige schommelingen in de dichtheid veroorzaakten de vorming van dichtheden, die, zoals ze verschenen, steeds meer materie aantrokken. Al snel verschenen de eerste sterren in de duisternis van het heelal.

Na ongeveer een miljard jaar begonnen sommigen van hen te sterven. In hun loop produceerden ze atoomkernen tot ijzer. Nu, toen ze stierven, verspreidden ze ze door de hele regio, en nieuwe sterren werden geboren uit de as. De meest massieve van hen hadden een spectaculair einde. Tijdens supernova-explosies werden de kernen gebombardeerd met zoveel deeltjes dat zelfs de zwaarste elementen werden gevormd. Ze vormden nieuwe sterren, planeten en op sommige bollen leven.

Het bestaan ​​van materiegolven is bewezen. Aan de andere kant werd een elektron in een atoom beschouwd als een staande golf, waardoor het geen energie uitstraalt. De golfeigenschappen van bewegende elektronen werden gebruikt om elektronenmicroscopen te maken, waardoor atomen voor het eerst konden worden gezien (6). In de daaropvolgende jaren maakte het werk van Werner Heisenberg en Erwin Schrödinger (gebaseerd op de hypothese van De Broglie) de ontwikkeling mogelijk van een nieuw, volledig empirisch model van de elektronenschillen van het atoom. Maar dit zijn vragen die buiten het bestek van dit artikel vallen.

De droom van de alchemisten is uitgekomen

Natuurlijke radioactieve transformaties, waarbij nieuwe elementen worden gevormd, zijn sinds het einde van de 1919e eeuw bekend. Over XNUMX iets waartoe tot nu toe alleen de natuur in staat is geweest. Gedurende deze periode bestudeerde Ernest Rutherford de interactie van deeltjes met materie. Tijdens het testen merkte hij dat protonen verschenen als gevolg van bestraling met stikstofgas.

De enige verklaring voor het fenomeen was een reactie tussen heliumkernen (een deeltje en kern van een isotoop van dit element) en stikstof (7). Als gevolg hiervan worden zuurstof en waterstof gevormd (het proton is de kern van de lichtste isotoop). De droom van transmutatie van de alchemisten is werkelijkheid geworden. In de daaropvolgende decennia werden elementen geproduceerd die niet in de natuur voorkomen.

Natuurlijke radioactieve preparaten die alfadeeltjes uitzenden waren voor dit doel niet meer geschikt (de Coulombbarrière van zware kernen is te groot voor een licht deeltje om ze te benaderen). Versnellers die enorme energie aan de kernen van zware isotopen verlenen, bleken ‘alchemistische ovens’ te zijn waarin de voorouders van de hedendaagse scheikundigen probeerden de ‘koning der metalen’ te verkrijgen (8).

Hoe zit het eigenlijk met goud? Alchemisten gebruikten kwik meestal als grondstof voor de productie ervan. Toegegeven moet worden dat ze in dit geval een echte "neus" hadden. Het was uit kwik dat in een kernreactor met neutronen werd behandeld dat voor het eerst kunstmatig goud werd verkregen. Het metalen stuk werd in 1955 getoond op de Atoomconferentie van Genève.

6. Atomen op het oppervlak van goud, zichtbaar in een scanning tunneling microscoopbeeld.

7. Schema van de eerste menselijke transmutatie van elementen

Het nieuws over de prestatie van natuurkundigen veroorzaakte zelfs korte opschudding op de wereldbeurzen, maar de sensationele persberichten werden weerlegd door informatie over de prijs van het op deze manier gewonnen erts - het is vele malen duurder dan natuurlijk goud. Reactoren zullen de edelmetaalmijn niet vervangen. Maar de isotopen en kunstmatige elementen die erin worden geproduceerd (ten behoeve van medicijnen, energie, wetenschappelijk onderzoek) zijn veel waardevoller dan goud.

8. De historische cyclotron die de eerste paar elementen synthetiseert na uranium in het periodiek systeem (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, augustus 1939)

Voor lezers die de in de tekst aan de orde gestelde kwesties willen onderzoeken, raad ik een reeks artikelen van de heer Tomasz Sowiński aan. Verschenen in "Young Technics" in 2006-2010 (onder het kopje "Hoe ze ontdekten"). De teksten zijn ook beschikbaar op de website van de auteur: .

Fiets "Met een atoom voor altijd“Ik begon met een herinnering dat de afgelopen eeuw vaak het tijdperk van het atoom werd genoemd. Natuurlijk kan men niet anders dan de fundamentele prestaties van natuur- en scheikundigen van de XNUMXe eeuw op het gebied van de structuur van de materie opmerken. De laatste jaren breidt de kennis over de microwereld zich echter steeds sneller uit en worden er technologieën ontwikkeld die het mogelijk maken om individuele atomen en moleculen te manipuleren. Dit geeft ons het recht om te zeggen dat de werkelijke leeftijd van het atoom nog niet is aangebroken.