Cù un atomu à traversu l'età - parte 3

U mudellu planetariu di l'atomu di Rutherford era più vicinu à a realità cà u "pudding di uvetta" di Thomson. In ogni casu, a vita di stu cuncettu durò solu dui anni, ma prima di parlà di un successore, hè u tempu di svelà i prossimi secreti atomichi.

1. Isotopi di l'idrogenu: prot stabile è deuteriu è tritium radiuattivu (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

avalanche nucleari

A scuperta di u fenomenu di a radiuattività, chì hà marcatu l'iniziu di scuperta i misteri di l'atomu, hà inizialmente minacciatu a basa di a chimica - a lege di periodicità. In pocu tempu, parechji decine di sustanzi radiuattivi sò stati identificati. Qualchidunu di elli avianu a listessa proprietà chimica, malgradu a massa atomica differente, mentri àutri, cù a listessa massa, avianu pruprietà diffirenti. Inoltre, in l'area di a tavola periodica induve duverebbe esse postu per via di u so pesu, ùn ci era micca abbastanza spaziu liberu per allughjà tutti. A tavola periodica hè stata persa per una avalanche di scuperte.

2. Replica di u spettrometru di massa di J.J. Thompson 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

nucleu atomicu

Questu hè 10-100 mila. volte più chjucu cà l'atomu sanu. Se u nucleu di un atomu di l'idrogenu deve esse ingrandatu à a dimensione di una bola cù un diametru di 1 cm è pusatu in u centru di un campu di football, allora un elettrone (più chjucu cà un pinhead) seria vicinu à un scopu. (più di 50 m).

Quasi tutta a massa di un atomu hè cuncentrata in u nucleu, per esempiu, per l'oru hè quasi 99,98%. Imagine un cubu di stu metalu chì pesa 19,3 tunnellate. Tuttu nuclei di atomi oru hannu un vulume tutali di menu di 1/1000 mm3 (una bola cù un diametru di menu di 0,1 mm). Dunque, l'atomu hè terribilmente viotu. I lettori anu da calculà a densità di u materiale di basa.

A suluzione à stu prublema fù trovu in u 1910 da Frederick Soddy. Hà introduttu u cuncettu di isotopi, i.e. varietà di u listessu elementu chì differ in a so massa atomica (1). Cusì, chjamò in quistione un altru postulatu di Dalton - da quellu mumentu, un elementu chimicu ùn deve più esse cumpostu di atomi di a stessa massa. L'ipotesi isotopica, dopu a cunferma sperimentale (spettrografu di massa, 1911), hà ancu permessu di spiegà i valori fraccionari di e masse atomiche di certi elementi - a maiò parte di elli sò mischi di parechji isotopi, è massa atomica hè a media ponderata di e masse di tutti (2).

Cumpunenti di u kernel

Un altru di i studienti di Rutherford, Henry Moseley, hà studiatu i raghji X emessi da elementi cunnisciuti in u 1913. A cuntrariu di spettri ottichi cumplessi, u spettru di raghji X hè assai simplice - ogni elementu emette solu duie lunghezze d'onda, chì e lunghezze d'onda sò facilmente correlate cù a carica di u so nucleu atomicu.

3. Una di e macchine di raghji X aduprate da Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Questu hà permessu per a prima volta di prisentà u veru numeru di elementi esistenti, è ancu di determinà quanti di elli ùn sò micca abbastanza per riempie i spazii in a tavola periodica (3).

Una particella chì porta una carica pusitiva hè chjamata protone (protone grecu = primu). Un altru prublema hè subitu subitu. A massa di un protone hè apprussimatamente uguale à 1 unità. Mentre chì nucleu atomicu sodiu cù una carica di 11 unità hà una massa di 23 unità? U listessu, sicuru, hè u casu cù altri elementi. Questu significa chì ci deve esse altre particeddi prisenti in u nucleu è ùn avè micca una carica. Inizialmente, i fisici anu presumitu chì questi eranu protoni forti ligati cù l'elettroni, ma à a fine hè statu dimustratu chì una nova particella apparsu - u neutronu (latinu neutru = neutru). A scuperta di sta particella elementari (i cosiddetti "mattoni" basi chì custituiscenu tutta a materia) hè stata fatta in u 1932 da u fisicu inglese James Chadwick.

I prutoni è i neutroni ponu turnà in l'altri. I fisici speculanu chì sò forme di una particella chjamata nucleone (nucleu latinu = nucleu).

Siccomu u nucleu di l'isotopo di l'idrogenu più simplice hè un protone, pò esse vistu chì William Prout in a so ipotesi "idrogenu". custruzzione atomica ùn era micca troppu sbagliatu (vede: "Cù l'atomu attraversu l'età - parte 2"; "Giovane Tecnicu" No. 8/2015). In principiu, ci era ancu fluttuazioni trà i nomi proton è "proton".

4. Fotocellule à a fine - a basa di u so travagliu hè l'effettu fotoelettricu (foto: Ies / Wikimedia Commons)

Micca tuttu hè permessu

U mudellu di Rutherford à u mumentu di a so apparizione hà avutu un "difettu congenital". Sicondu a liggi di l'elettrodinamica di Maxwell (cunfirmata da a radiodiffusione chì funzionava digià in quellu tempu), un elettrone chì si move in un circhiu deve irradià una onda elettromagnetica.

Cusì, perde l'energia, per via di quale casca nantu à u nucleu. In cundizioni nurmali, l'atomi ùn radianu micca (spettri sò furmati quandu si riscaldanu à temperature elevate) è i catastrofi atomichi ùn sò micca osservati (a vita stimata di l'elettrone hè menu di una milionesima di seconda).

U mudellu di Rutherford spiegà u risultatu di l'esperimentu di spargimentu di particella, ma ancu ùn currisponde à a realità.

In u 1913, a ghjente "s'abitua" à u fattu chì l'energia in u microcosmu hè presa è mandata micca in quantità, ma in porzioni chjamati quanta. Nant'à sta basa, Max Planck spiegò a natura di i spettri di radiazioni emessi da i corpi riscaldati (1900), è Albert Einstein (1905) spiegò i sicreti di l'effettu fotoelettricu, vale à dì l'emissione di l'elettroni da i metalli illuminati (4).

5. L'immagine di diffrazione di l'elettroni nantu à un cristallu d'ossidu di tantalu mostra a so struttura simmetrica (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

U fisicu danese di 28 anni Niels Bohr hà migliuratu u mudellu di l'atomu di Rutherford. Suggerì chì l'elettroni si movenu solu in orbite chì scontranu certi cundizioni energetichi. Inoltre, l'elettroni ùn emettenu micca a radiazione mentre si movenu, è l'energia hè assorbita è emessa solu quandu shunted trà orbite. L'assunzioni cuntradite a fisica classica, ma i risultati ottenuti nantu à a so basa (a dimensione di l'atomu di l'idrogenu è a durata di e linee di u so spettru) sò stati cunfurmati cù l'esperimentu. novu natu mudellu atomu.

Sfurtunatamente, i risultati eranu validi solu per l'atomu di l'idrogenu (ma ùn spiegà micca tutte l'osservazioni spettrali). Per altri elementi, i risultati di u calculu ùn currispondenu à a realità. Cusì, i fisici ùn anu micca ancu un mudellu teoricu di l'atomu.

I misteri cuminciaru à sbulicà dopu à undici anni. A tesi di dutturatu di u fisicu francese Ludwik de Broglie hà trattatu di e proprietà d'onda di particelle materiali. Hè digià statu pruvatu chì a luce, in più di e caratteristiche tipiche di una onda (diffrazione, rifrazione), cumportanu ancu cum'è una cullizzioni di particeddi - photons (per esempiu, scontri elastici cù l'elettroni). Ma ogetti di massa ? U suggerimentu paria cum'è un sognu di pipa per un principe chì vulia diventà fisicu. Tuttavia, in u 1927 hè statu fattu un esperimentu chì cunfirmò l'ipotesi di De Broglie - u fasciu di l'elettroni diffrattu nantu à un cristalu di metallu (5).

Da induve venenu l'atomi ?

Cum'è tutti l'altri: Big Bang. I fisici crèdenu chì littiralmenti in una frazzioni di seconda da u "puntu zero" sò stati furmati protoni, neutroni è elettroni, vale à dì l'atomi custituenti. Uni pochi minuti dopu (quandu l'universu si rinfriscà è a densità di a materia diminuì), i nucleoni s'uniscenu, furmendu i nuclei di elementi altru ch'è l'idrogenu. A più grande quantità d'heliu hè stata formata, è ancu tracce di i trè elementi seguenti. Solu dopu à 100 XNUMX Per parechji anni, e cundizioni permettenu u ligame di l'elettroni à i nuclei - i primi atomi sò stati furmati. Aviu avutu aspittà assai tempu per u prossimu. I fluttuazioni di a densità aleatoria anu causatu a furmazione di densità, chì, cum'è apparsu, attrae più è più materia. Prestu, in a bughjura di l'universu, e prime stelle s'eranu.

Dopu à circa un miliardo d'anni, alcuni di elli cuminciaru à more. In u so cursu anu pruduttu nuclei di atomi finu à u ferru. Avà, quand'elli sò morti, i sparghjenu in tutta a regione, è nascenu stiddi novi da a cendra. I più massivi di elli avianu una fine spettaculare. Duranti l'esplosioni di supernova, i nuclei sò stati bombardati cù tanti particeddi chì ancu l'elementi più pesanti sò stati furmati. Formanu novi stelle, pianeti, è in certi globi - a vita.

L'esistenza di onde di materia hè stata pruvata. Per d 'altra banda, un elettronu in un atomu era cunsideratu cum'è una onda permanente, per via di quale ùn radia micca energia. I pruprietà di l'onda di l'elettroni in muvimentu sò stati utilizati per creà microscopi elettroni, chì hà permessu di vede l'atomi per a prima volta (6). In l'anni dopu, u travagliu di Werner Heisenberg è Erwin Schrödinger (basatu nantu à l'ipotesi de Broglie) hà permessu di sviluppà un novu mudellu di l'elettroni di l'atomu, cumpletamente basatu annantu à l'esperienza. Ma questi sò dumande fora di u scopu di l'articulu.

U sognu di l'alchimisti hè diventatu realità

Trasfurmazioni radiuattivi naturali, in quale sò furmati novi elementi, sò cunnisciuti da a fine di u 1919u seculu. In XNUMX, qualcosa chì solu a natura hè stata capace finu à avà. Ernest Rutherford duranti stu periodu era impegnatu in l'interazzione di particeddi cù a materia. Duranti i testi, hà nutatu chì i protoni apparsu com'è u risultatu di l'irradiazione cù u gasu di nitrogenu.

L'unica spiegazione di u fenomenu era a reazione trà i nuclei di l'heliu (una particella è u nucleu di un isotopo di questu elementu) è u nitrogenu (7). In u risultatu, l'ossigenu è l'idrogenu sò furmati (un protone hè u nucleu di l'isotopo più ligeru). U sognu di l'alchimisti di trasmutazione hè diventatu realità. In i decennii seguenti, sò stati pruduciuti elementi chì ùn si trovanu micca in a natura.

I preparati radiuattivi naturali chì emettenu a-particles ùn eranu più adattati per questu scopu (a barriera Coulomb di i nuclei pesanti hè troppu grande per una particella ligera per avvicinà elli). L'acceleratori, impartendu una energia enormosa à i nuclei di isotopi pisanti, sò diventati "forni alchimichi", in quale l'antenati di i chimichi di l'oghje pruvatu à ottene u "rè di metalli" (8).

In verità, chì ne di l'oru? L'alchimisti utilizanu più spessu u mercuriu com'è materia prima per a so pruduzzione. Ci vole à ricunnosce chì in questu casu avianu un veru "nasu". Hè da u mercuriu trattatu cù neutroni in un reactore nucleare chì l'oru artificiale hè statu uttenutu prima. U pezzu di metallu hè statu mostratu in u 1955 à a Cunferenza Atomica di Ginevra.

Fig 6. Atomi nantu à a superficia d'oru, visibili in l'imaghjini in un microscopiu di scanning tunneling.

7. Schema di a prima trasmutazione umana di l'elementi

A nutizia di a realizazione di i fisici hà ancu causatu una breve agitazione nantu à e borse mundiali, ma i rapporti di stampa sensazionale sò stati refuted da l'infurmazioni nantu à u prezzu di u minerale minatu in questu modu - hè parechje volte più caru di l'oru naturali. I reattori ùn rimpiazzaranu micca a minera di metalli preziosi. Ma l'isotopi è l'elementi artificiali pruduciutu in elli (per i scopi di medicina, energia, ricerca scientifica) sò assai più preziosi chì l'oru.

8. Ciclotrone storicu sintetizza i primi elementi dopu à l'uraniu in a tavola periodica (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, August 1939)

Per i lettori chì vulianu scopre i prublemi suscitati in u testu, ricumandemu una seria d'articuli di u sgiò Tomasz Sowiński. Apparsu in "Young Technics" in u 2006-2010 (sottu a rubrica "Cumu anu scupertu"). I testi sò ancu dispunibuli nant'à u situ di l'autore à : .

ciclu "Cù un atomu per sempre» Cuminciò cun un ricordu chì u seculu passatu era spessu chjamatu l'età di l'atomu. Di sicuru, ùn si pò falla di nutà i rializazioni fundamentali di i fisici è i chimichi di u seculu XNUMX in a struttura di a materia. In ogni modu, in l'ultimi anni, a cunniscenza di u microcosmu hè in espansione più veloce è più veloce, tecnulugii sò sviluppati chì permettenu di manipulà l'atomi è e molécule individuali. Questu ci dà u dirittu di dì chì l'età vera di l'atomu ùn hè ancu ghjunta.