Con un atomo attraverso i secoli - parte 3

Il modello planetario dell'atomo di Rutherford era più vicino alla realtà del "budino all'uvetta" di Thomson. Tuttavia, la vita di questo concept è durata solo due anni, ma prima di parlare di un successore, è tempo di svelare i prossimi segreti atomici.

1. Isotopi dell'idrogeno: prot stabile e deuterio e trizio radioattivo (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

valanga nucleare

La scoperta del fenomeno della radioattività, che segnò l'inizio del svelamento dei misteri dell'atomo, inizialmente minacciò le basi della chimica: la legge della periodicità. In poco tempo sono state identificate diverse decine di sostanze radioattive. Alcuni di loro avevano le stesse proprietà chimiche, nonostante la diversa massa atomica, mentre altri, con le stesse masse, avevano proprietà diverse. Inoltre, nella zona della tavola periodica dove avrebbero dovuto essere collocati a causa del loro peso, non c'era abbastanza spazio libero per accoglierli tutti. La tavola periodica è andata perduta a causa di una valanga di scoperte.

2. Replica dello spettrometro di massa del 1911 di J.J. Thompson (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

nucleo atomico

Questo è 10-100 mila. volte più piccolo dell'intero atomo. Se il nucleo di un atomo di idrogeno venisse allargato alla dimensione di una palla di 1 cm di diametro e posto al centro di un campo da calcio, allora un elettrone (più piccolo di una capocchia di spillo) si troverebbe in prossimità di una porta (oltre 50 m).

Quasi l'intera massa di un atomo è concentrata nel nucleo, ad esempio per l'oro è quasi il 99,98%. Immagina un cubo di questo metallo del peso di 19,3 tonnellate. Tutti nuclei di atomi l'oro ha un volume totale inferiore a 1/1000 mm3 (una sfera con un diametro inferiore a 0,1 mm). Pertanto, l'atomo è terribilmente vuoto. I lettori devono calcolare la densità del materiale di base.

La soluzione a questo problema fu trovata nel 1910 da Frederick Soddy. Ha introdotto il concetto di isotopi, cioè varietà dello stesso elemento che differiscono nella loro massa atomica (1). Così, ha messo in discussione un altro postulato di Dalton: da quel momento in poi, un elemento chimico non dovrebbe più essere costituito da atomi della stessa massa. L'ipotesi isotopica, dopo la conferma sperimentale (spettrografo di massa, 1911), ha permesso anche di spiegare i valori frazionari delle masse atomiche di alcuni elementi - la maggior parte di essi sono miscele di molti isotopi e massa atomica è la media ponderata delle masse di tutti loro (2).

Componenti del kernel

Un altro degli studenti di Rutherford, Henry Moseley, studiò i raggi X emessi da elementi noti nel 1913. A differenza degli spettri ottici complessi, lo spettro dei raggi X è molto semplice: ogni elemento emette solo due lunghezze d'onda, le cui lunghezze d'onda sono facilmente correlate con la carica del suo nucleo atomico.

3. Una delle macchine a raggi X usate da Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Ciò ha permesso per la prima volta di presentare il numero reale degli elementi esistenti, nonché di determinare quanti di essi non sono ancora sufficienti per colmare le lacune della tavola periodica (3).

Una particella che trasporta una carica positiva è chiamata protone (protone greco = primo). Immediatamente è sorto un altro problema. La massa di un protone è approssimativamente uguale a 1 unità. Invece nucleo atomico il sodio con una carica di 11 unità ha una massa di 23 unità? Lo stesso, ovviamente, è il caso di altri elementi. Ciò significa che devono esserci altre particelle presenti nel nucleo e prive di carica. Inizialmente, i fisici presumevano che si trattasse di protoni fortemente legati con elettroni, ma alla fine è stato dimostrato che è apparsa una nuova particella: il neutrone (latino neutro = neutro). La scoperta di questa particella elementare (i cosiddetti "mattoni" fondamentali che costituiscono tutta la materia) fu fatta nel 1932 dal fisico inglese James Chadwick.

Protoni e neutroni possono trasformarsi l'uno nell'altro. I fisici ipotizzano che siano forme di una particella chiamata nucleone (nucleo latino = nucleo).

Poiché il nucleo dell'isotopo più semplice dell'idrogeno è un protone, si può vedere che William Prout nella sua ipotesi "idrogeno" costruzione atomica non aveva torto troppo (vedi: "Con l'atomo attraverso i secoli - parte 2"; "Giovane tecnico" n. 8/2015). Inizialmente, c'erano persino fluttuazioni tra i nomi protone e "protone".

4. Fotocellule al traguardo - la base del loro lavoro è l'effetto fotoelettrico (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Non tutto è permesso

Il modello di Rutherford al momento della sua apparizione aveva un "difetto congenito". Secondo le leggi dell'elettrodinamica di Maxwell (confermate dalle trasmissioni radio già funzionanti in quel momento), un elettrone che si muove in un cerchio dovrebbe irradiare un'onda elettromagnetica.

Pertanto, perde energia, a causa della quale cade sul nucleo. In condizioni normali, gli atomi non si irradiano (si formano spettri quando vengono riscaldati a temperature elevate) e non si osservano catastrofi atomiche (la vita stimata di un elettrone è inferiore a un milionesimo di secondo).

Il modello di Rutherford spiegava il risultato dell'esperimento di dispersione delle particelle, ma non corrispondeva ancora alla realtà.

Nel 1913 la gente si "abitua" al fatto che l'energia nel microcosmo viene prelevata e inviata non in quantità alcuna, ma in porzioni, dette quanti. Su queste basi Max Planck spiegò la natura degli spettri della radiazione emessa dai corpi riscaldati (1900), e Albert Einstein (1905) i segreti dell'effetto fotoelettrico, ovvero l'emissione di elettroni da parte dei metalli illuminati (4).

5. L'immagine di diffrazione di elettroni su un cristallo di ossido di tantalio mostra la sua struttura simmetrica (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Il fisico danese di 28 anni Niels Bohr ha migliorato il modello dell'atomo di Rutherford. Ha suggerito che gli elettroni si muovano solo in orbite che soddisfano determinate condizioni energetiche. Inoltre, gli elettroni non emettono radiazioni mentre si muovono e l'energia viene assorbita ed emessa solo quando deviata tra le orbite. Le ipotesi contraddicevano la fisica classica, ma i risultati ottenuti sulla loro base (la dimensione dell'atomo di idrogeno e la lunghezza delle righe del suo spettro) si sono rivelati coerenti con l'esperimento. nuovo nato modello atomico.

Sfortunatamente, i risultati erano validi solo per l'atomo di idrogeno (ma non spiegavano tutte le osservazioni spettrali). Per altri elementi, i risultati del calcolo non corrispondevano alla realtà. Pertanto, i fisici non disponevano ancora di un modello teorico dell'atomo.

I misteri iniziarono a chiarirsi dopo undici anni. La tesi di dottorato del fisico francese Ludwik de Broglie trattava delle proprietà ondulatorie delle particelle materiali. È già stato dimostrato che la luce, oltre alle caratteristiche tipiche di un'onda (diffrazione, rifrazione), si comporta anche come un insieme di particelle - fotoni (ad esempio collisioni elastiche con elettroni). Ma oggetti di massa? Il suggerimento sembrava un sogno irrealizzabile per un principe che voleva diventare un fisico. Tuttavia, nel 1927 fu condotto un esperimento che confermò l'ipotesi di de Broglie: il fascio di elettroni diffratto su un cristallo di metallo (5).

Da dove vengono gli atomi?

Come tutti gli altri: Big Bang. I fisici ritengono che letteralmente in una frazione di secondo dal "punto zero" si siano formati protoni, neutroni ed elettroni, cioè gli atomi costituenti. Pochi minuti dopo (quando l'universo si è raffreddato e la densità della materia è diminuita), i nucleoni si sono fusi insieme, formando i nuclei di elementi diversi dall'idrogeno. Si è formata la più grande quantità di elio, così come tracce dei seguenti tre elementi. Solo dopo 100 XNUMX Per molti anni, le condizioni hanno permesso agli elettroni di legarsi ai nuclei: si sono formati i primi atomi. Ho dovuto aspettare molto tempo per il prossimo. Le fluttuazioni casuali della densità causavano la formazione di densità che, quando apparivano, attiravano sempre più materia. Presto, nell'oscurità dell'universo, le prime stelle divamparono.

Dopo circa un miliardo di anni, alcuni di loro cominciarono a morire. Nel loro corso hanno prodotto nuclei di atomi fino al ferro. Ora, quando sono morti, li hanno diffusi in tutta la regione e dalle ceneri sono nate nuove stelle. Il più massiccio di loro ha avuto una fine spettacolare. Durante le esplosioni di supernova, i nuclei sono stati bombardati da così tante particelle che si sono formati anche gli elementi più pesanti. Hanno formato nuove stelle, pianeti e su alcuni globi - la vita.

L'esistenza delle onde di materia è stata dimostrata. D'altra parte, un elettrone in un atomo era considerato un'onda stazionaria, a causa della quale non irradia energia. Le proprietà ondulatorie degli elettroni in movimento sono state utilizzate per creare microscopi elettronici, che hanno permesso di vedere per la prima volta gli atomi (6). Negli anni successivi, il lavoro di Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger (sulla base dell'ipotesi di de Broglie) permise di sviluppare un nuovo modello dei gusci di elettroni dell'atomo, completamente basato sull'esperienza. Ma queste sono domande che esulano dallo scopo dell'articolo.

Il sogno degli alchimisti si è avverato

Le trasformazioni radioattive naturali, in cui si formano nuovi elementi, sono note dalla fine del 1919° secolo. Nel XNUMX, qualcosa di cui solo la natura è stata capace fino ad ora. Ernest Rutherford durante questo periodo era impegnato nell'interazione delle particelle con la materia. Durante i test, ha notato che i protoni apparivano come risultato dell'irradiazione con azoto gassoso.

L'unica spiegazione del fenomeno era la reazione tra i nuclei di elio (una particella e il nucleo di un isotopo di questo elemento) e l'azoto (7). Di conseguenza, si formano ossigeno e idrogeno (un protone è il nucleo dell'isotopo più leggero). Il sogno di trasmutazione degli alchimisti si è avverato. Nei decenni successivi furono prodotti elementi che non si trovano in natura.

Le preparazioni radioattive naturali che emettono particelle a non erano più adatte a questo scopo (la barriera coulombiana dei nuclei pesanti è troppo grande perché una particella leggera si avvicini ad esse). Gli acceleratori, che imprimevano enorme energia ai nuclei degli isotopi pesanti, si rivelarono delle "fornaci alchemiche" nelle quali gli antenati dei chimici odierni tentarono di ottenere il "re dei metalli" (8).

In realtà, che dire dell'oro? Gli alchimisti usavano spesso il mercurio come materia prima per la sua produzione. Bisogna ammettere che in questo caso avevano un vero “naso”. Fu dal mercurio trattato con neutroni in un reattore nucleare che fu ottenuto per la prima volta l'oro artificiale. Il pezzo di metallo è stato mostrato nel 1955 alla Conferenza Atomica di Ginevra.

Fig. 6. Atomi sulla superficie dell'oro, visibili nell'immagine al microscopio a scansione a effetto tunnel.

7. Schema della prima trasmutazione umana degli elementi

La notizia del successo dei fisici ha persino suscitato un breve scalpore nelle borse mondiali, ma i sensazionali resoconti della stampa sono stati smentiti dalle informazioni sul prezzo del minerale estratto in questo modo: è molte volte più costoso dell'oro naturale. I reattori non sostituiranno la miniera di metalli preziosi. Ma gli isotopi e gli elementi artificiali prodotti in essi (ai fini della medicina, dell'energia, della ricerca scientifica) sono molto più preziosi dell'oro.

8. Ciclotrone storico che sintetizza i primi elementi dopo l'uranio nella tavola periodica (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, August 1939)

Per i lettori che desiderano esplorare le questioni sollevate nel testo, raccomando una serie di articoli del Sig. Tomasz Sowiński. Apparso in "Young Technics" nel 2006-2010 (sotto il titolo "Come hanno scoperto"). I testi sono disponibili anche sul sito dell'autore all'indirizzo: .

Ciclo "Con un atomo per secoli» Cominciò ricordando che il secolo scorso veniva spesso chiamato l'età dell'atomo. Naturalmente, non si possono non notare le conquiste fondamentali di fisici e chimici del XIX secolo nella struttura della materia. Tuttavia, negli ultimi anni, la conoscenza del microcosmo si sta espandendo sempre più velocemente, si stanno sviluppando tecnologie che consentono di manipolare singoli atomi e molecole. Questo ci dà il diritto di dire che la vera età dell'atomo non è ancora arrivata.