隨著原子的流逝——第 3 部分

盧瑟福的原子行星模型比湯姆森的「葡萄乾布丁」更接近現實。 然而，這個概念的壽命只持續了兩年，但在談論繼任者之前，是時候揭開下一個原子秘密了。

1. 氫的同位素：穩定的氕、氘和放射性氚（照片：BruceBlaus/Wikimedia Commons）。

原子雪崩

放射性現象的發現標誌著揭開原子之謎的開始，它最初威脅了化學的基礎——週期性定律。 短時間內，鑑定出數十種放射性物質。 儘管原子質量不同，其中一些具有相同的化學性質，而另一些具有相同的質量，卻具有不同的性質。 而且，在元素週期表中由於重量而不得不放置的區域，沒有足夠的可用空間來容納它們。 由於大量的發現，元素週期表丟失了。

2. 1911 年 J. J. Thompson 質譜儀的複製品（照片：Jeff Dahl / Wikimedia Commons）

原子核

這是10-100萬。 比整個原子小幾倍。 如果將氫原子核放大到直徑為 1 公分的球大小，並將其放置在足球場的中心，那麼電子（比大頭針的頭部還小）最終將位於目標（超過 50 m）。

原子的幾乎全部質量都集中在原子核中；例如，對金來說，幾乎 99,98% 都集中在原子核中。 想像一下這種金屬的一個立方體重 19,3 噸。 全部 原子核 金的總體積小於 1/1000 mm3（直徑小於 0,1 毫米的球）。 因此，原子是非常空的。 讀者必須計算基礎物質的密度。

1910 年，弗雷德里克·索迪 (Frederick Soddy) 找到了這個問題的解決方案。 他介紹了同位素的概念，即原子質量不同的同一元素的變體 (1)。 因此，他質疑道爾頓的另一個假設——從那一刻起，化學元素不應再由相同質量的原子組成。 同位素假說，經過實驗證實（質譜儀，1911），也使得解釋某些元素的原子質量分數值成為可能——它們中的大多數是許多同位素的混合物，並且 原子質量 是它們全部質量的加權平均值 (2)。

核心元件

盧瑟福的另一位學生亨利·莫斯利 (Henry Moseley) 於 1913 年研究了已知元素發出的 X 射線。 與複雜的光譜不同，X射線光譜非常簡單——每個元素只發射兩個波，其長度很容易與其原子核的電荷相關。

3. 莫斯利使用的 X 光機之一（照片：Magnus Manske/Wikimedia Commons）

這使得首次能夠顯示存在的元素的實際數量，並確定其中有多少元素仍缺失以填補元素週期表中的空白 (3)。

帶正電荷的粒子稱為質子（希臘文：質子=第一）。 另一個問題立刻出現了。 質子的質量約為 1 個單位。 然而 原子核 電荷為 11 個單位的鈉質量為 23 個單位？ 當然，其他元素也是如此。 這意味著必須有其他粒子存在於原子核中並且不帶電荷。 最初，物理學家假設這些是質子與電子的強結合，但最終證明出現了一種新粒子——中子（拉丁語 neuter = neutral）。 英國物理學家詹姆斯·查德威克 (James Chadwick) 於 1932 年發現了這種基本粒子（構成所有物質的所謂基本“磚塊”）。

質子和中子可以互相轉化。 物理學家推測它們是稱為核子（拉丁語“nucleus”=原子核）的粒子的形式。

由於最簡單的氫同位素的原子核是質子，很明顯威廉·普勞特在他的“氫”假說中 原子設計 他並沒有大錯特錯（參見：“隨著原子的流逝 - 第 2 部分”；“Young Technician”第 8/2015 號）。 最初，質子和“prouton”的名稱甚至有起伏。

4. 終點處的光電管－它們的工作原理是基於光電效應（照片：Ies/Wikimedia Commons）

並非全部允許

盧瑟福的模型在提出時存在「先天缺陷」。 根據麥克斯韋電動力學定律（已被當時已運行的無線電廣播證實），沿著圓週運動的電子應該會發射電磁波。

因此，它失去了能量，導致它落到核心上。 在正常條件下，原子不會發射（加熱到高溫時會形成光譜）並且不會觀察到原子災難（電子的估計壽命小於百萬分之一秒）。

盧瑟福的模型解釋了粒子散射實驗的結果，但仍然不符合現實。

1913 年，人們「習慣了」這樣一個事實：微觀世界中的能量不是以任何數量獲取和發送的，而是以稱為量子的部分獲取和發送的。 在此基礎上，馬克斯·普朗克（Max Planck）解釋了受熱物體發射的輻射光譜的本質（1900），阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）（1905）解釋了光電效應的秘密，即被照亮的金屬發射電子（4）。

5. 氧化鉭晶體上的電子繞射影像顯示了其對稱結構（照片：Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons）

28 歲的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾改良了盧瑟福的原子模型。 他提出電子只在滿足一定能量條件的軌道上運動。 此外，電子在運動時不會發射輻射，只有在軌道之間分流時才會吸收和發射能量。 這些假設與經典物理學相矛盾，但基於其基礎（氫原子的大小及其光譜線的長度）所獲得的結果與實驗結果一致。 一個新人誕生了 模型阿穆.

不幸的是，結果僅對氫原子有效（但沒有解釋所有的光譜觀察結果）。 對於其餘元素，計算結果與實際情況不符。 因此，物理學家還沒有原子的理論模型。

十一年後，謎團開始解開。 法國物理學家路德維克·德布羅意 (Ludwik de Broglie) 的博士論文研究了物質粒子的波動特性。 已經證明，除了波的典型特徵（衍射、折射）之外，光還表現得像粒子的集合——光子（例如，與電子的彈性碰撞）。 但是質量對象？ 對於一個想成為物理學家的王子來說，這個假設似乎是一個白日夢。 然而，在 1927 年進行的一項實驗證實了德布羅意的假設 - 電子束在金屬晶體上發生衍射 (5)。

原子從哪裡來？

和其他人一樣：大爆炸。 物理學家認為，從「零點」開始，質子、中子和電子在不到一秒的時間內就形成了，也就是構成原子。 幾分鐘後（隨著宇宙冷卻和物質密度降低），核子融合在一起形成氫以外的元素的原子核。 產生了最大量的氦，以及接下來的三種元素的痕跡。 直到 100 年後，條件才使得電子與原子核結合成為可能──第一個原子形成了。 我們不得不等待很長時間才能看到下一個。 密度的隨機波動導致了密度的形成，密度的出現吸引了越來越多的物質。 很快，第一批恆星出現在宇宙的黑暗中。

大約十億年後，其中一些開始死亡。 在他們的課程中，他們製作了 原子核 到鐵。 現在，當他們死去時，他們將它們散播到整個地區，新的恆星從灰燼中誕生。 其中最大的一個有一個壯觀的結局。 在超新星爆炸期間，原子核受到如此多的粒子轟擊，甚至形成了最重的元素。 它們形成了新的恆星、行星，並在一些地球儀上形成了生命。

物質波的存在已被證明。 另一方面，原子中的電子被認為是駐波，因此它不會輻射能量。 移動電子的波動特性被用來製造電子顯微鏡，使原子首次被看見 (6)。 在隨後的幾年中，維爾納·海森堡和歐文·薛定諤的工作（基於德布羅意的假設）允許開發出一種新的、完全經驗的原子電子殼層模型。 但這些問題超出了本文的範圍。

煉金術士的夢想成真了

自 1919 世紀末以來，人們就已經知道自然放射性轉變（在此過程中會形成新元素）。 二十世紀九十年代，迄今只有大自然才能做到的事。 在此期間，歐內斯特·盧瑟福研究了粒子與物質的相互作用。 在測試過程中，他注意到質子是由於氮氣照射而出現的。

這種現象的唯一解釋是氦原子核（該元素同位素的粒子和原子核）與氮 (7) 之間的反應。 結果，形成了氧和氫（質子是最輕同位素的原子核）。 煉金術士們的變身夢想已經實現。 在隨後的幾十年裡，生產出了自然界中不存在的元素。

發射α粒子的天然放射性製劑不再適合此目的（重核的庫侖勢壘太大，輕粒子無法接近它們）。 向重同位素核傳遞巨大能量的加速器原來是“煉金術”，當今化學家的祖先試圖在其中獲得“金屬之王”（8）。

事實上，黃金呢？ 煉金術士最常使用汞作為其生產的原料。 必須承認，在這種情況下，他們有一個真正的「鼻子」。 人造金首先是從核反應器中用中子處理的汞中獲得的。 該金屬件於 1955 年在日內瓦原子會議上展出。

6. 金表面的原子，在掃描穿隧顯微鏡影像中可見。

7. 人類第一次元素嬗變方案

物理學家取得成就的消息甚至在世界證券交易所引起了短暫的轟動，但聳人聽聞的新聞報導被有關以這種方式開采的礦石價格的信息所駁斥——它比天然黃金貴很多倍。 反應堆不會取代貴金屬礦。 但其中產生的同位素和人造元素（用於醫學、能源、科學研究）比黃金有價值得多。

8. 歷史性的迴旋加速器合成了元素週期表中鈾之後的前幾種元素（加州大學柏克萊分校勞倫斯輻射實驗室，1939 年 XNUMX 月）

對於想要探討文中提出的問題的讀者，我推薦 Tomasz Sowiński 先生的一系列文章。 出現在 2006-2010 年的“Young Technics”中（在“他們如何發現”的標題下）。 這些文本也可以在作者的網站上找到： 。

循環 ”擁有世紀原子「我首先提醒大家，上個世紀通常被稱為原子時代。 當然，我們不能不注意到二十世紀物理學家和化學家在物質結構上所取得的根本成就。 然而，近年來，有關微觀世界的知識正在越來越快地擴展，並且正在開發能夠操縱單個原子和分子的技術。 這使我們有權利說原子的真正年齡尚未到來。