Con un átomo a través de las edades - parte 3

El modelo planetario del átomo de Rutherford estaba más cerca de la realidad que el "pudín de pasas" de Thomson. Sin embargo, la vida de este concepto duró solo dos años, pero antes de hablar de un sucesor, es hora de desentrañar los próximos secretos atómicos.

1. Isótopos de hidrógeno: prot estable y deuterio y tritio radiactivo (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

avalancha nuclear

El descubrimiento del fenómeno de la radiactividad, que marcó el comienzo del desentrañamiento de los misterios del átomo, inicialmente amenazó la base de la química: la ley de la periodicidad. En poco tiempo se identificaron varias decenas de sustancias radiactivas. Algunos de ellos tenían las mismas propiedades químicas, a pesar de la diferente masa atómica, mientras que otros, con las mismas masas, tenían propiedades diferentes. Además, en la zona de la tabla periódica donde debían estar colocados por su peso, no había suficiente espacio libre para acomodarlos a todos. La tabla periódica se perdió debido a una avalancha de descubrimientos.

2. Réplica del espectrómetro de masas de 1911 de J.J. Thompson (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Núcleo atómico

Esto es 10-100 mil. veces más pequeño que el átomo entero. Si el núcleo de un átomo de hidrógeno fuera agrandado al tamaño de una pelota con un diámetro de 1 cm y colocado en el centro de un campo de fútbol, ​​entonces un electrón (más pequeño que la cabeza de un alfiler) estaría cerca de una portería. (más de 50 m).

Casi toda la masa de un átomo se concentra en el núcleo, por ejemplo, para el oro es casi el 99,98%. Imagina un cubo de este metal que pese 19,3 toneladas. Todo núcleos de átomos oro tienen un volumen total de menos de 1/1000 mm3 (una bola con un diámetro de menos de 0,1 mm). Por lo tanto, el átomo está terriblemente vacío. Los lectores deben calcular la densidad del material base.

La solución a este problema fue encontrada en 1910 por Frederick Soddy. Introdujo el concepto de isótopos, es decir, variedades de un mismo elemento que difieren en su masa atómica (1). Así, puso en tela de juicio otro postulado de Dalton: a partir de ese momento, un elemento químico ya no debería consistir en átomos de la misma masa. La hipótesis isotópica, después de la confirmación experimental (espectrógrafo de masas, 1911), también permitió explicar los valores fraccionarios de las masas atómicas de algunos elementos, la mayoría de ellos son mezclas de muchos isótopos, y masa atomica es el promedio ponderado de las masas de todos ellos (2).

Componentes del kernel

Otro alumno de Rutherford, Henry Moseley, en 1913 estudió los rayos X emitidos por elementos conocidos. A diferencia de los espectros ópticos complejos, el espectro de rayos X es muy simple: cada elemento emite solo dos longitudes de onda, cuyas longitudes de onda se correlacionan fácilmente con la carga de su núcleo atómico.

3. Una de las máquinas de rayos X utilizadas por Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Esto permitió por primera vez presentar el número real de elementos existentes, así como determinar cuántos de ellos aún no son suficientes para llenar los vacíos en la tabla periódica (3).

Una partícula que lleva una carga positiva se llama protón (del griego protón = primero). Inmediatamente surgió otro problema. La masa de un protón es aproximadamente igual a 1 unidad. Mientras que núcleo atómico sodio con una carga de 11 unidades tiene una masa de 23 unidades? Lo mismo, por supuesto, es el caso con otros elementos. Esto significa que debe haber otras partículas presentes en el núcleo y que no tengan carga. Inicialmente, los físicos asumieron que estos eran protones fuertemente unidos con electrones, pero al final se demostró que apareció una nueva partícula: el neutrón (latín neutro = neutral). El descubrimiento de esta partícula elemental (los llamados "ladrillos" básicos que componen toda la materia) lo hizo en 1932 el físico inglés James Chadwick.

Los protones y los neutrones pueden convertirse entre sí. Los físicos especulan que son formas de una partícula llamada nucleón (del latín núcleo = núcleo).

Dado que el núcleo del isótopo más simple del hidrógeno es un protón, se puede ver que William Prout en su hipótesis del "hidrógeno" construcción de átomos no estaba demasiado equivocado (ver: "Con el átomo a través de las edades - parte 2"; "Joven técnico" No. 8/2015). Inicialmente, hubo incluso fluctuaciones entre los nombres protón y "protón".

4. Fotocélulas al final: la base de su trabajo es el efecto fotoeléctrico (foto: Ies / Wikimedia Commons)

No todo está permitido

El modelo de Rutherford en el momento de su aparición tenía un "defecto congénito". De acuerdo con las leyes de la electrodinámica de Maxwell (confirmadas por la transmisión de radio que ya funcionaba en ese momento), un electrón que se mueve en un círculo debería irradiar una onda electromagnética.

Por lo tanto, pierde energía, como resultado de lo cual cae sobre el núcleo. En condiciones normales, los átomos no irradian (los espectros se forman cuando se calientan a altas temperaturas) y no se observan catástrofes atómicas (la vida útil estimada de un electrón es inferior a una millonésima de segundo).

El modelo de Rutherford explicaba el resultado del experimento de dispersión de partículas, pero aún no se correspondía con la realidad.

En 1913, la gente "se acostumbró" al hecho de que la energía en el microcosmos no se toma y se envía en cualquier cantidad, sino en porciones llamadas cuantos. Sobre esta base, Max Planck explicó la naturaleza de los espectros de radiación emitidos por cuerpos calentados (1900), y Albert Einstein (1905) explicó los secretos del efecto fotoeléctrico, es decir, la emisión de electrones por los metales iluminados (4).

5. Imagen de difracción de electrones en un cristal de óxido de tantalio que muestra su estructura simétrica (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

El físico danés Niels Bohr, de 28 años, mejoró el modelo atómico de Rutherford. Sugirió que los electrones se mueven solo en órbitas que cumplen ciertas condiciones de energía. Además, los electrones no emiten radiación a medida que se mueven, y la energía solo se absorbe y emite cuando se desvían entre órbitas. Las suposiciones contradecían a la física clásica, pero los resultados obtenidos sobre su base (el tamaño del átomo de hidrógeno y la longitud de las líneas de su espectro) resultaron ser consistentes con el experimento. recién nacido atomo modelo.

Desafortunadamente, los resultados fueron válidos solo para el átomo de hidrógeno (pero no explicaron todas las observaciones espectrales). Para otros elementos, los resultados de los cálculos no se correspondían con la realidad. Por lo tanto, los físicos aún no tenían un modelo teórico del átomo.

Los misterios comenzaron a aclararse después de once años. La tesis doctoral del físico francés Ludwik de Broglie trató sobre las propiedades ondulatorias de las partículas materiales. Ya se ha demostrado que la luz, además de las características típicas de una onda (difracción, refracción), también se comporta como una colección de partículas, fotones (por ejemplo, colisiones elásticas con electrones). ¿Pero objetos masivos? La sugerencia parecía una quimera para un príncipe que quería convertirse en físico. Sin embargo, en 1927 se llevó a cabo un experimento que confirmó la hipótesis de de Broglie: el haz de electrones se difractó en un cristal metálico (5).

¿De dónde vienen los átomos?

Como todos los demás: Big Bang. Los físicos creen que, literalmente, en una fracción de segundo desde el "punto cero", se formaron protones, neutrones y electrones, es decir, los átomos constituyentes. Unos minutos más tarde (cuando el universo se enfrió y la densidad de la materia disminuyó), los nucleones se fusionaron, formando los núcleos de elementos distintos al hidrógeno. Se formó la mayor cantidad de helio, así como trazas de los siguientes tres elementos. Solo después de 100 XNUMX Durante muchos años, las condiciones permitieron que los electrones se unieran a los núcleos: se formaron los primeros átomos. Tuve que esperar mucho tiempo para el siguiente. Las fluctuaciones aleatorias en la densidad provocaron la formación de densidades que, a medida que aparecían, atraían más y más materia. Pronto, en la oscuridad del universo, se encendieron las primeras estrellas.

Después de unos mil millones de años, algunos de ellos comenzaron a morir. En su curso produjeron núcleos de átomos hasta el hierro. Ahora, cuando murieron, los esparcieron por toda la región, y de las cenizas nacieron nuevas estrellas. El más multitudinario de ellos tuvo un final espectacular. Durante las explosiones de supernova, los núcleos fueron bombardeados con tantas partículas que se formaron incluso los elementos más pesados. Formaron nuevas estrellas, planetas y, en algunos globos, vida.

Se ha demostrado la existencia de ondas de materia. Por otro lado, un electrón en un átomo se consideraba como una onda estacionaria, por lo que no irradia energía. Las propiedades de onda de los electrones en movimiento se utilizaron para crear microscopios electrónicos, lo que hizo posible ver los átomos por primera vez (6). En los años siguientes, el trabajo de Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger (sobre la base de la hipótesis de De Broglie) hizo posible desarrollar un nuevo modelo de las capas de electrones del átomo, completamente basado en la experiencia. Pero estas son preguntas más allá del alcance del artículo.

El sueño de los alquimistas se hizo realidad

Las transformaciones radiactivas naturales, en las que se forman nuevos elementos, se conocen desde finales del siglo XIX. En 1919, algo de lo que solo la naturaleza ha sido capaz hasta ahora. Ernest Rutherford durante este período se dedicó a la interacción de las partículas con la materia. Durante las pruebas, notó que los protones aparecían como resultado de la irradiación con gas nitrógeno.

La única explicación del fenómeno fue la reacción entre los núcleos de helio (una partícula y el núcleo de un isótopo de este elemento) y el nitrógeno (7). Como resultado, se forman oxígeno e hidrógeno (un protón es el núcleo del isótopo más ligero). El sueño de transmutación de los alquimistas se ha hecho realidad. En las décadas siguientes se produjeron elementos que no se encuentran en la naturaleza.

Los preparados radiactivos naturales que emiten partículas a ya no eran adecuados para este propósito (la barrera de Coulomb de los núcleos pesados ​​es demasiado grande para que una partícula ligera se acerque a ellos). Los aceleradores, que imparten una enorme energía a los núcleos de los isótopos pesados, resultaron ser "hornos alquímicos", en los que los antepasados ​​​​de los químicos de hoy intentaron obtener el "rey de los metales" (8).

En realidad, ¿qué pasa con el oro? Los alquimistas usaban con mayor frecuencia mercurio como materia prima para su producción. Hay que admitir que en este caso tenían una verdadera "nariz". Fue a partir de mercurio tratado con neutrones en un reactor nuclear de donde se obtuvo por primera vez el oro artificial. La pieza de metal se mostró en 1955 en la Conferencia Atómica de Ginebra.

Fig. 6. Átomos en la superficie del oro, visibles en la imagen en un microscopio de efecto túnel.

7. Esquema de la primera transmutación humana de los elementos

La noticia del logro de los físicos incluso causó un pequeño revuelo en las bolsas de valores mundiales, pero los informes de prensa sensacionalistas fueron refutados por información sobre el precio del mineral extraído de esta manera: es muchas veces más caro que el oro natural. Los reactores no reemplazarán la mina de metales preciosos. Pero los isótopos y los elementos artificiales producidos en ellos (con fines medicinales, energéticos, de investigación científica) son mucho más valiosos que el oro.

8. Ciclotrón histórico que sintetiza los primeros elementos después del uranio en la tabla periódica (Laboratorio de Radiación Lawrence, Universidad de California, Berkeley, agosto de 1939)

Para los lectores que deseen explorar los temas planteados en el texto, recomiendo una serie de artículos del Sr. Tomasz Sowiński. Apareció en "Young Technics" en 2006-2010 (bajo el título "Cómo lo descubrieron"). Los textos también están disponibles en el sitio web del autor en: .

Ciclo "Con un átomo por siglos» Comenzó con un recordatorio de que el siglo pasado a menudo se llamaba la era del átomo. Por supuesto, uno no puede dejar de notar los logros fundamentales de los físicos y químicos del siglo XIX en la estructura de la materia. Sin embargo, en los últimos años, el conocimiento sobre el microcosmos se está expandiendo cada vez más rápido, se están desarrollando tecnologías que permiten manipular átomos y moléculas individuales. Esto nos da derecho a decir que la edad real del átomo aún no ha llegado.