Com um átomo através dos tempos - parte 3

O modelo planetário do átomo de Rutherford estava mais próximo da realidade do que o "pudim de passas" de Thomson. No entanto, a vida desse conceito durou apenas dois anos, mas antes de falar sobre um sucessor, é hora de desvendar os próximos segredos atômicos.

1. Isótopos de hidrogênio: prot e deutério estáveis ​​e trítio radioativo (foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

avalanche nuclear

A descoberta do fenômeno da radioatividade, que marcou o início do desvendamento dos mistérios do átomo, ameaçou inicialmente as bases da química - a lei da periodicidade. Em pouco tempo, várias dezenas de substâncias radioativas foram identificadas. Alguns deles tinham as mesmas propriedades químicas, apesar da massa atômica diferente, enquanto outros, com as mesmas massas, tinham propriedades diferentes. Além disso, na área da tabela periódica onde deveriam ter sido colocados devido ao seu peso, não havia espaço livre suficiente para acomodar todos eles. A tabela periódica foi perdida devido a uma avalanche de descobertas.

2. Réplica do espectrômetro de massa de J.J. Thompson de 1911 (foto: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Núcleo atômico

Isso é 10-100 mil. vezes menor que o átomo inteiro. Se o núcleo de um átomo de hidrogênio fosse aumentado para o tamanho de uma bola de 1 cm de diâmetro e colocado no centro de um campo de futebol, então um elétron (menor que uma cabeça de alfinete) estaria nas proximidades de um gol. (mais de 50m).

Quase toda a massa de um átomo está concentrada no núcleo, por exemplo, para o ouro é quase 99,98%. Imagine um cubo desse metal pesando 19,3 toneladas. Tudo núcleos de átomos ouro têm um volume total inferior a 1/1000 mm3 (uma bola com um diâmetro inferior a 0,1 mm). Portanto, o átomo está terrivelmente vazio. Os leitores devem calcular a densidade do material base.

A solução para este problema foi encontrada em 1910 por Frederick Soddy. Ele introduziu o conceito de isótopos, ou seja, variedades do mesmo elemento que diferem em sua massa atômica (1). Assim, ele questionou outro postulado de Dalton - a partir daquele momento, um elemento químico não deveria mais ser constituído por átomos da mesma massa. A hipótese isotópica, após confirmação experimental (espectrógrafo de massa, 1911), também possibilitou explicar os valores fracionários das massas atômicas de alguns elementos - a maioria deles são misturas de muitos isótopos, e massa atômica é a média ponderada das massas de todos eles (2).

Componentes do kernel

Outro aluno de Rutherford, Henry Moseley, estudou os raios X emitidos por elementos conhecidos em 1913. Ao contrário de espectros ópticos complexos, o espectro de raios X é muito simples - cada elemento emite apenas dois comprimentos de onda, cujos comprimentos de onda são facilmente correlacionados com a carga de seu núcleo atômico.

3. Uma das máquinas de raios X usadas por Moseley (foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Isso possibilitou pela primeira vez apresentar o número real de elementos existentes, bem como determinar quantos deles ainda não são suficientes para preencher as lacunas da tabela periódica (3).

Uma partícula carregando uma carga positiva é chamada de próton (do grego próton = primeiro). Outro problema surgiu imediatamente. A massa de um próton é aproximadamente igual a 1 unidade. Enquanto núcleo atômico sódio com carga de 11 unidades tem massa de 23 unidades? O mesmo, é claro, é o caso com outros elementos. Isso significa que deve haver outras partículas presentes no núcleo e sem carga. Inicialmente, os físicos presumiram que se tratava de prótons fortemente ligados a elétrons, mas no final provou-se que uma nova partícula apareceu - o nêutron (latim neutro = neutro). A descoberta dessa partícula elementar (os chamados "tijolos" básicos que compõem toda a matéria) foi feita em 1932 pelo físico inglês James Chadwick.

Prótons e nêutrons podem se transformar um no outro. Os físicos especulam que são formas de uma partícula chamada nucleon (latim núcleo = núcleo).

Como o núcleo do isótopo mais simples do hidrogênio é um próton, pode-se ver que William Prout em sua hipótese do "hidrogênio" construção do átomo ele não estava muito errado (ver: “Com o átomo através dos tempos - parte 2”; “Jovem Técnico” nº 8/2015). Inicialmente, houve até flutuações entre os nomes próton e "próton".

4. Fotocélulas no acabamento - a base de seu trabalho é o efeito fotoelétrico (foto: Ies/Wikimedia Commons)

Nem tudo é permitido

O modelo de Rutherford na época de sua aparição tinha um "defeito congênito". De acordo com as leis da eletrodinâmica de Maxwell (confirmadas pela transmissão de rádio que já funcionava na época), um elétron movendo-se em círculo deveria irradiar uma onda eletromagnética.

Assim, perde energia, e como resultado cai no núcleo. Em condições normais, os átomos não irradiam (os espectros são formados quando aquecidos a altas temperaturas) e as catástrofes atômicas não são observadas (o tempo de vida estimado de um elétron é inferior a um milionésimo de segundo).

O modelo de Rutherford explicava o resultado do experimento de dispersão de partículas, mas ainda não correspondia à realidade.

Em 1913, as pessoas "se acostumaram" ao fato de que a energia no microcosmo é captada e enviada não em qualquer quantidade, mas em porções, chamadas quanta. Com base nisso, Max Planck explicou a natureza dos espectros de radiação emitidos por corpos aquecidos (1900), e Albert Einstein (1905) explicou os segredos do efeito fotoelétrico, ou seja, a emissão de elétrons por metais iluminados (4).

5. Imagem de difração de elétrons em um cristal de óxido de tântalo mostra sua estrutura simétrica (foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

O físico dinamarquês de 28 anos Niels Bohr melhorou o modelo do átomo de Rutherford. Ele sugeriu que os elétrons se movem apenas em órbitas que atendem a certas condições de energia. Além disso, os elétrons não emitem radiação à medida que se movem, e a energia só é absorvida e emitida quando desviada entre órbitas. As suposições contradiziam a física clássica, mas os resultados obtidos com base nelas (o tamanho do átomo de hidrogênio e o comprimento das linhas de seu espectro) mostraram-se consistentes com o experimento. recém-nascido modelo atomu.

Infelizmente, os resultados foram válidos apenas para o átomo de hidrogênio (mas não explicaram todas as observações espectrais). Para os demais elementos, os resultados do cálculo não corresponderam à realidade. Assim, os físicos ainda não tinham um modelo teórico do átomo.

Os mistérios começaram a se esclarecer depois de onze anos. A dissertação de doutorado do físico francês Ludwik de Broglie tratou das propriedades ondulatórias das partículas materiais. Já foi comprovado que a luz, além das características típicas de uma onda (difração, refração), também se comporta como um conjunto de partículas - fótons (por exemplo, colisões elásticas com elétrons). Mas objetos de massa? A sugestão parecia um sonho para um príncipe que queria se tornar um físico. No entanto, em 1927, foi realizado um experimento que confirmou a hipótese de de Broglie - o feixe de elétrons difratado em um cristal de metal (5).

De onde vieram os átomos?

Como todo mundo: Big Bang. Os físicos acreditam que literalmente em uma fração de segundo do "ponto zero" prótons, nêutrons e elétrons, ou seja, os átomos constituintes, foram formados. Alguns minutos depois (quando o universo esfriou e a densidade da matéria diminuiu), os nucleons se fundiram, formando os núcleos de outros elementos além do hidrogênio. A maior quantidade de hélio foi formada, bem como vestígios dos três elementos seguintes. Somente após 100 XNUMX Por muitos anos, as condições permitiram que os elétrons se ligassem aos núcleos - os primeiros átomos foram formados. Tive que esperar muito pelo próximo. Flutuações aleatórias na densidade causavam a formação de densidades que, à medida que surgiam, atraíam cada vez mais matéria. Logo, na escuridão do universo, as primeiras estrelas brilharam.

Após cerca de um bilhão de anos, alguns deles começaram a morrer. Em seu curso eles produziram núcleos de átomos para baixo para ferro. Agora, quando eles morreram, eles os espalharam por toda a região, e novas estrelas nasceram das cinzas. O mais maciço deles teve um final espetacular. Durante as explosões de supernovas, os núcleos foram bombardeados com tantas partículas que até os elementos mais pesados ​​foram formados. Eles formaram novas estrelas, planetas e em alguns globos - vida.

A existência de ondas de matéria foi comprovada. Por outro lado, um elétron em um átomo foi considerado uma onda estacionária, devido à qual não irradia energia. As propriedades ondulatórias dos elétrons em movimento foram usadas para criar microscópios eletrônicos, que tornaram possível ver os átomos pela primeira vez (6). Nos anos seguintes, o trabalho de Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger (com base na hipótese de Broglie) tornou possível desenvolver um novo modelo das camadas eletrônicas do átomo, completamente baseado na experiência. Mas essas são questões além do escopo do artigo.

O sonho dos alquimistas se tornou realidade

Transformações radioativas naturais, nas quais novos elementos são formados, são conhecidas desde o final do século 1919. Em XNUMX, algo que só a natureza foi capaz até agora. Ernest Rutherford durante este período estava envolvido na interação de partículas com a matéria. Durante os testes, ele notou que os prótons apareciam como resultado da irradiação com gás nitrogênio.

A única explicação para o fenômeno foi a reação entre núcleos de hélio (uma partícula e o núcleo de um isótopo desse elemento) e nitrogênio (7). Como resultado, oxigênio e hidrogênio são formados (um próton é o núcleo do isótopo mais leve). O sonho de transmutação dos alquimistas se tornou realidade. Nas décadas seguintes, foram produzidos elementos que não são encontrados na natureza.

As preparações radioativas naturais que emitem partículas a não eram mais adequadas para esse propósito (a barreira de Coulomb de núcleos pesados ​​é muito grande para que uma partícula leve se aproxime deles). Os aceleradores, transmitindo enorme energia aos núcleos de isótopos pesados, acabaram por ser "fornos alquímicos", nos quais os ancestrais dos químicos de hoje tentaram obter o "rei dos metais" (8).

Na verdade, e o ouro? Os alquimistas costumavam usar o mercúrio como matéria-prima para sua produção. Deve-se admitir que, neste caso, eles tinham um “nariz” real. Foi do mercúrio tratado com nêutrons em um reator nuclear que o ouro artificial foi obtido pela primeira vez. A peça de metal foi exibida em 1955 na Conferência Atômica de Genebra.

Fig. 6. Átomos na superfície do ouro, visíveis na imagem em um microscópio de tunelamento.

7. Esquema da primeira transmutação humana dos elementos

A notícia da conquista dos físicos até causou um pequeno rebuliço nas bolsas de valores mundiais, mas as reportagens sensacionais da imprensa foram refutadas por informações sobre o preço do minério extraído dessa forma - é muitas vezes mais caro que o ouro natural. Os reatores não substituirão a mina de metais preciosos. Mas os isótopos e elementos artificiais produzidos neles (para fins de medicina, energia, pesquisa científica) são muito mais valiosos que o ouro.

8. Ciclotron histórico sintetizando os primeiros elementos após o urânio na tabela periódica (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, agosto de 1939)

Para os leitores que desejam explorar as questões levantadas no texto, recomendo uma série de artigos do Sr. Tomasz Sowiński. Apareceu em "Young Technics" em 2006-2010 (sob o título "Como eles descobriram"). Os textos também estão disponíveis no site do autor em: .

Ciclo"Com um átomo por eras» Ele começou lembrando que o século passado foi muitas vezes chamado de idade do átomo. Claro, não se pode deixar de notar as conquistas fundamentais dos físicos e químicos do século XNUMX na estrutura da matéria. No entanto, nos últimos anos, o conhecimento sobre o microcosmo está se expandindo cada vez mais rápido, tecnologias estão sendo desenvolvidas que permitem manipular átomos e moléculas individuais. Isso nos dá o direito de dizer que a idade real do átomo ainda não chegou.