Dengan atom selama berabad-abad - bagian 3

Model atom planet Rutherford lebih mendekati kenyataan daripada "puding kismis" Thomson. Namun, kehidupan konsep ini hanya berlangsung selama dua tahun, tetapi sebelum berbicara tentang penerus, saatnya untuk mengungkap rahasia atom berikutnya.

1. Isotop hidrogen: prot stabil dan deuterium dan tritium radioaktif (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

longsoran nuklir

Penemuan fenomena radioaktivitas, yang menandai awal dari pengungkapan misteri atom, pada awalnya mengancam dasar kimia - hukum periodisitas. Dalam waktu singkat, beberapa lusin zat radioaktif diidentifikasi. Beberapa dari mereka memiliki sifat kimia yang sama, meskipun massa atomnya berbeda, sementara yang lain, dengan massa yang sama, memiliki sifat yang berbeda. Selain itu, di area tabel periodik di mana mereka seharusnya ditempatkan karena beratnya, tidak ada cukup ruang kosong untuk menampung semuanya. Tabel periodik hilang karena longsoran penemuan.

2. Replika spektrometer massa 1911 J.J. Thompson (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

inti atom

Ini 10-100 ribu. kali lebih kecil dari seluruh atom. Jika inti atom hidrogen diperbesar seukuran bola dengan diameter 1 cm dan ditempatkan di tengah lapangan sepak bola, maka elektron (lebih kecil dari kepala peniti) akan berada di sekitar gawang. (lebih dari 50 m).

Hampir seluruh massa atom terkonsentrasi di inti, misalnya, untuk emas hampir 99,98%. Bayangkan sebuah kubus dari logam ini seberat 19,3 ton. Semuanya inti atom emas memiliki volume total kurang dari 1/1000 mm3 (bola dengan diameter kurang dari 0,1 mm). Oleh karena itu, atom sangat kosong. Pembaca harus menghitung kepadatan bahan dasar.

Solusi untuk masalah ini ditemukan pada tahun 1910 oleh Frederick Soddy. Dia memperkenalkan konsep isotop, yaitu. varietas dari unsur yang sama yang berbeda dalam massa atomnya (1). Karena itu, ia mempertanyakan postulat Dalton lainnya - sejak saat itu, unsur kimia tidak boleh lagi terdiri dari atom dengan massa yang sama. Hipotesis isotop, setelah konfirmasi eksperimental (spektograf massa, 1911), juga memungkinkan untuk menjelaskan nilai pecahan massa atom beberapa unsur - kebanyakan dari mereka adalah campuran dari banyak isotop, dan massa atom adalah rata-rata tertimbang dari massa mereka semua (2).

Komponen kernel

Murid Rutherford lainnya, Henry Moseley, mempelajari sinar-X yang dipancarkan oleh unsur-unsur yang dikenal pada tahun 1913. Tidak seperti spektrum optik kompleks, spektrum sinar-X sangat sederhana - setiap elemen hanya memancarkan dua panjang gelombang, yang panjang gelombangnya mudah dikorelasikan dengan muatan inti atomnya.

3. Salah satu mesin sinar-X yang digunakan oleh Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Hal ini memungkinkan untuk pertama kalinya menyajikan jumlah sebenarnya dari unsur-unsur yang ada, serta untuk menentukan berapa banyak dari mereka yang masih belum cukup untuk mengisi celah-celah dalam tabel periodik (3).

Sebuah partikel yang membawa muatan positif disebut proton (Yunani proton = pertama). Masalah lain segera muncul. Massa proton kira-kira sama dengan 1 satuan. Sedangkan inti atom natrium dengan muatan 11 unit memiliki massa 23 unit? Hal yang sama, tentu saja, berlaku untuk elemen lainnya. Artinya, pasti ada partikel lain yang ada di dalam nukleus dan tidak bermuatan. Awalnya, fisikawan berasumsi bahwa ini adalah proton yang terikat kuat dengan elektron, tetapi pada akhirnya terbukti bahwa partikel baru muncul - neutron (bahasa Latin netral = netral). Penemuan partikel elementer ini (yang disebut "batu bata" dasar yang membentuk semua materi) dilakukan pada tahun 1932 oleh fisikawan Inggris James Chadwick.

Proton dan neutron dapat berubah menjadi satu sama lain. Fisikawan berspekulasi bahwa mereka adalah bentuk partikel yang disebut nukleon (inti Latin = nukleus).

Karena inti dari isotop hidrogen yang paling sederhana adalah proton, dapat dilihat bahwa William Prout dalam hipotesis "hidrogennya" konstruksi atom dia tidak terlalu salah (lihat: “Dengan atom selama berabad-abad - bagian 2”; “Teknisi Muda” No. 8/2015). Awalnya, bahkan ada fluktuasi antara nama proton dan "proton".

4. Fotosel di bagian akhir - dasar pekerjaan mereka adalah efek fotolistrik (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Tidak semuanya diperbolehkan

Model Rutherford pada saat kemunculannya memiliki "cacat bawaan". Menurut hukum elektrodinamika Maxwell (dikonfirmasi oleh siaran radio yang sudah berfungsi pada saat itu), elektron yang bergerak dalam lingkaran harus memancarkan gelombang elektromagnetik.

Dengan demikian, ia kehilangan energi, akibatnya ia jatuh pada nukleus. Dalam kondisi normal, atom tidak memancar (spektra terbentuk ketika dipanaskan hingga suhu tinggi) dan bencana atom tidak diamati (perkiraan masa hidup elektron kurang dari sepersejuta detik).

Model Rutherford menjelaskan hasil percobaan hamburan partikel, tetapi masih tidak sesuai dengan kenyataan.

Pada tahun 1913, orang "terbiasa" dengan fakta bahwa energi dalam mikrokosmos diambil dan dikirim tidak dalam jumlah berapa pun, tetapi dalam porsi, yang disebut kuanta. Atas dasar ini, Max Planck menjelaskan sifat spektrum radiasi yang dipancarkan oleh benda yang dipanaskan (1900), dan Albert Einstein (1905) menjelaskan rahasia efek fotolistrik, yaitu emisi elektron oleh logam yang disinari (4).

5. Gambar difraksi elektron pada kristal tantalum oksida menunjukkan strukturnya yang simetris (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Fisikawan Denmark berusia 28 tahun Niels Bohr memperbaiki model atom Rutherford. Dia menyarankan bahwa elektron hanya bergerak dalam orbit yang memenuhi kondisi energi tertentu. Selain itu, elektron tidak memancarkan radiasi saat bergerak, dan energi hanya diserap dan dipancarkan ketika didorong antar orbit. Asumsi tersebut bertentangan dengan fisika klasik, tetapi hasil yang diperoleh berdasarkan mereka (ukuran atom hidrogen dan panjang garis spektrumnya) ternyata konsisten dengan percobaan. baru lahir model atom.

Sayangnya, hasilnya hanya valid untuk atom hidrogen (tetapi tidak menjelaskan semua pengamatan spektral). Untuk elemen lainnya, hasil perhitungan tidak sesuai dengan kenyataan. Dengan demikian, fisikawan belum memiliki model teori atom.

Misteri mulai terungkap setelah sebelas tahun. Disertasi doktor fisikawan Prancis Ludwik de Broglie membahas sifat gelombang partikel material. Telah dibuktikan bahwa cahaya, selain karakteristik khas gelombang (difraksi, refraksi), juga berperilaku seperti kumpulan partikel - foton (misalnya, tumbukan elastis dengan elektron). Tapi benda massa? Saran itu tampak seperti mimpi pipa bagi seorang pangeran yang ingin menjadi fisikawan. Namun, pada tahun 1927 sebuah percobaan dilakukan yang mengkonfirmasi hipotesis de Broglie - berkas elektron terdifraksi pada kristal logam (5).

Dari mana asal atom?

Seperti orang lain: Big Bang. Fisikawan percaya bahwa secara harfiah dalam sepersekian detik dari "titik nol" proton, neutron, dan elektron, yaitu atom penyusun, terbentuk. Beberapa menit kemudian (ketika alam semesta mendingin dan kepadatan materi menurun), nukleon bergabung bersama, membentuk inti unsur selain hidrogen. Jumlah terbesar helium terbentuk, serta jejak dari tiga elemen berikut. Hanya setelah 100 XNUMX Selama bertahun-tahun, kondisi memungkinkan elektron untuk mengikat inti - atom pertama terbentuk. Saya harus menunggu lama untuk yang berikutnya. Fluktuasi kerapatan yang acak menyebabkan pembentukan kerapatan, yang, ketika muncul, menarik lebih banyak materi. Segera, dalam kegelapan alam semesta, bintang-bintang pertama berkobar.

Setelah sekitar satu miliar tahun, beberapa dari mereka mulai mati. Dalam perjalanan mereka, mereka menghasilkan inti atom sampai besi. Sekarang, ketika mereka mati, mereka menyebarkannya ke seluruh wilayah, dan bintang-bintang baru lahir dari abunya. Yang paling masif dari mereka memiliki akhir yang spektakuler. Selama ledakan supernova, inti dibombardir dengan begitu banyak partikel sehingga unsur terberat pun terbentuk. Mereka membentuk bintang baru, planet, dan di beberapa bola dunia - kehidupan.

Keberadaan gelombang materi telah terbukti. Di sisi lain, elektron dalam atom dianggap sebagai gelombang berdiri, karena itu tidak memancarkan energi. Sifat gelombang elektron yang bergerak digunakan untuk membuat mikroskop elektron, yang memungkinkan untuk melihat atom untuk pertama kalinya (6). Pada tahun-tahun berikutnya, karya Werner Heisenberg dan Erwin Schrödinger (berdasarkan hipotesis de Broglie) memungkinkan untuk mengembangkan model baru kulit elektron atom, sepenuhnya berdasarkan pengalaman. Tapi ini adalah pertanyaan di luar cakupan artikel.

Impian para alkemis menjadi kenyataan

Transformasi radioaktif alami, di mana unsur-unsur baru terbentuk, telah dikenal sejak akhir abad 1919. Di XNUMX, sesuatu yang hanya bisa dilakukan oleh alam sampai sekarang. Ernest Rutherford selama periode ini terlibat dalam interaksi partikel dengan materi. Selama pengujian, ia memperhatikan bahwa proton muncul sebagai hasil penyinaran dengan gas nitrogen.

Satu-satunya penjelasan untuk fenomena tersebut adalah reaksi antara inti helium (partikel dan inti isotop unsur ini) dan nitrogen (7). Akibatnya, oksigen dan hidrogen terbentuk (proton adalah inti dari isotop paling ringan). Impian para alkemis tentang transmutasi telah menjadi kenyataan. Dalam dekade berikutnya, unsur-unsur diproduksi yang tidak ditemukan di alam.

Persiapan radioaktif alami yang memancarkan partikel-a tidak lagi cocok untuk tujuan ini (penghalang Coulomb dari inti berat terlalu besar untuk partikel ringan untuk mendekatinya). Akselerator, memberikan energi yang sangat besar ke inti isotop berat, ternyata menjadi "tungku alkimia", di mana nenek moyang ahli kimia saat ini mencoba untuk mendapatkan "raja logam" (8).

Sebenarnya, bagaimana dengan emas? Alkemis paling sering menggunakan merkuri sebagai bahan baku untuk produksinya. Harus diakui bahwa dalam hal ini mereka memiliki "hidung" yang nyata. Dari merkuri yang diolah dengan neutron dalam reaktor nuklir, emas buatan pertama kali diperoleh. Potongan logam itu ditunjukkan pada tahun 1955 di Konferensi Atom Jenewa.

Gbr. 6. Atom di permukaan emas, terlihat pada gambar di mikroskop penerowongan pemindaian.

7. Skema transmutasi manusia pertama dari unsur-unsur

Berita pencapaian fisikawan bahkan menimbulkan kehebohan singkat di bursa saham dunia, namun laporan pers yang sensasional tersebut dibantah oleh informasi tentang harga bijih yang ditambang dengan cara ini - harganya berkali-kali lebih mahal daripada emas alam. Reaktor tidak akan menggantikan tambang logam mulia. Tetapi isotop dan elemen buatan yang diproduksi di dalamnya (untuk keperluan pengobatan, energi, penelitian ilmiah) jauh lebih berharga daripada emas.

8. Siklotron bersejarah mensintesis beberapa elemen pertama setelah uranium dalam tabel periodik (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, Agustus 1939)

Bagi pembaca yang ingin mendalami isu-isu yang diangkat dalam teks, saya merekomendasikan serangkaian artikel oleh Mr. Tomasz Sowiński. Muncul di "Teknik Muda" pada 2006-2010 (di bawah judul "Bagaimana mereka menemukan"). Teks-teks juga tersedia di website penulis di: .

Siklus "Dengan atom selama berabad-abad» Ia mulai dengan mengingatkan bahwa abad yang lalu sering disebut zaman atom. Tentu saja, orang tidak dapat gagal untuk mencatat pencapaian mendasar fisikawan dan kimiawan abad XNUMX dalam struktur materi. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, pengetahuan tentang mikrokosmos berkembang lebih cepat dan lebih cepat, teknologi sedang dikembangkan yang memungkinkan memanipulasi atom dan molekul individu. Ini memberi kita hak untuk mengatakan bahwa usia atom yang sebenarnya belum tiba.