युगहरू मार्फत एक परमाणु संग - भाग 3

रदरफोर्डको परमाणुको ग्रह मोडेल थमसनको "किसमिस पुडिंग" भन्दा वास्तविकताको नजिक थियो। यद्यपि, यो अवधारणाको जीवन मात्र दुई वर्षसम्म रह्यो, तर उत्तराधिकारीको बारेमा कुरा गर्नु अघि, यो अर्को परमाणु रहस्य खोल्ने समय हो।

1. हाइड्रोजन आइसोटोप: स्थिर प्रोट र ड्यूटेरियम र रेडियोएक्टिभ ट्रिटियम (फोटो: ब्रुसब्लास/विकिमिडिया कमन्स)।

आणविक हिमस्खलन

रेडियोएक्टिभिटी को घटना को खोज, जो परमाणु को रहस्य को उजागर को शुरुवात को चिन्हित गर्यो, सुरुमा रसायन विज्ञान को आधार - आवधिकता को नियम लाई धम्की दियो। छोटो समयमा, धेरै दर्जन रेडियोधर्मी पदार्थ पहिचान गरियो। तिनीहरूमध्ये केहीमा एउटै रासायनिक गुणहरू थिए, फरक परमाणु द्रव्यमानको बावजुद, अरूहरू, एउटै द्रव्यमानका साथ, फरक गुणहरू थिए। यसबाहेक, आवधिक तालिकाको क्षेत्रमा जहाँ तिनीहरू तिनीहरूको वजनको कारण राख्नुपर्छ, त्यहाँ ती सबैलाई समायोजन गर्न पर्याप्त खाली ठाउँ थिएन। आविष्कारहरूको हिमस्खलनको कारण आवधिक तालिका हराएको थियो।

2. जेजे थम्पसनको 1911 मास स्पेक्ट्रोमिटरको प्रतिकृति (फोटो: जेफ डहल/विकिमिडिया कमन्स)

आणविक नाभिक

यो 10-100 हजार हो। पूरै परमाणु भन्दा धेरै गुणा सानो। यदि हाइड्रोजन एटमको न्यूक्लियसलाई 1 सेन्टीमिटरको व्यास भएको बलको आकारमा ठूलो बनाइयो र फुटबल मैदानको बीचमा राखियो भने, त्यसपछि एक इलेक्ट्रोन (पिनहेड भन्दा सानो) गोलको वरपर हुनेछ। (50 मिटर भन्दा बढी)।

परमाणुको लगभग सम्पूर्ण द्रव्यमान न्यूक्लियसमा केन्द्रित हुन्छ, उदाहरणका लागि, सुनको लागि यो लगभग 99,98% हो। १९.३ टन तौल भएको यो धातुको घन कल्पना गर्नुहोस्। सबै कुरा परमाणुहरूको नाभिक सुनको कुल मात्रा 1/1000 mm3 भन्दा कम हुन्छ (0,1 mm भन्दा कम व्यास भएको बल)। त्यसैले, परमाणु एकदमै खाली छ। पाठकहरूले आधार सामग्रीको घनत्व गणना गर्नुपर्छ।

यस समस्याको समाधान सन् १९१० मा फ्रेडरिक सोडीले फेला पारेका थिए। उनले आइसोटोपको अवधारणा प्रस्तुत गरे, अर्थात्। एउटै तत्वका प्रजातिहरू जुन तिनीहरूको परमाणु द्रव्यमानमा भिन्न हुन्छन् (1910)। यसरी, उनले डाल्टनको अर्को पोष्टुलेटलाई प्रश्नमा बोलाए - त्यस क्षणदेखि, एक रासायनिक तत्व अब उही द्रव्यमानको परमाणुहरू हुनु हुँदैन। आइसोटोपिक परिकल्पना, प्रयोगात्मक पुष्टिकरण पछि (मास स्पेक्ट्रोग्राफ, 1) ले पनि केहि तत्वहरूको परमाणु जनसमूहको भिन्नात्मक मानहरू व्याख्या गर्न सम्भव बनायो - तिनीहरूमध्ये धेरै आइसोटोपहरूको मिश्रण हो, र परमाणु द्रव्यमान ती सबैको पिण्डको भारित औसत हो (2)।

कर्नेल अवयवहरू

रदरफोर्डका अर्का विद्यार्थी, हेनरी मोसेलीले १९१३ मा ज्ञात तत्वहरूद्वारा उत्सर्जित एक्स-रेहरूको अध्ययन गरे। जटिल अप्टिकल स्पेक्ट्राको विपरीत, एक्स-रे स्पेक्ट्रम धेरै सरल छ - प्रत्येक तत्वले केवल दुई तरंगदैर्ध्यहरू उत्सर्जन गर्दछ, जसको तरंगदैर्ध्यहरू सजिलैसँग यसको परमाणु केन्द्रकको चार्जसँग सम्बन्धित हुन्छन्।

3. मोसेले द्वारा प्रयोग गरिएको एक्स-रे मेसिन मध्ये एक (फोटो: म्याग्नस मान्स्के/विकिमिडिया कमन्स)

यसले पहिलो पटक अवस्थित तत्वहरूको वास्तविक संख्या प्रस्तुत गर्न सम्भव बनायो, साथै तिनीहरूमध्ये कति जना अझै पनि आवधिक तालिका (3) मा खाली ठाउँहरू भर्न पर्याप्त छैनन् भनेर निर्धारण गर्न।

सकारात्मक चार्ज बोक्ने कणलाई प्रोटोन (ग्रीक प्रोटोन = पहिलो) भनिन्छ। तुरुन्तै अर्को समस्या आयो। प्रोटोनको द्रव्यमान लगभग १ एकाइ बराबर हुन्छ। जबकि परमाणु नाभिक 11 एकाइ चार्ज भएको सोडियमको द्रव्यमान 23 एकाइ हुन्छ? निस्सन्देह, अन्य तत्वहरूमा पनि त्यस्तै छ। यसको अर्थ न्यूक्लियसमा अन्य कणहरू हुनुपर्छ र चार्ज नहुनु पर्छ। प्रारम्भमा, भौतिकशास्त्रीहरूले यी इलेक्ट्रोनहरूसँग बलियो रूपमा बाँधिएका प्रोटोनहरू हुन् भनेर अनुमान गरे, तर अन्तमा यो प्रमाणित भयो कि एउटा नयाँ कण देखा पर्यो - न्यूट्रोन (ल्याटिन न्यूटर = तटस्थ)। यस प्राथमिक कणको खोज (तथाकथित आधारभूत "इँटाहरू" जसले सबै पदार्थहरू बनाउँछ) 1932 मा अंग्रेजी भौतिकशास्त्री जेम्स चाडविकद्वारा गरिएको थियो।

प्रोटोन र न्यूट्रोन एक अर्कामा परिणत हुन सक्छन्। भौतिकशास्त्रीहरूले अनुमान गर्छन् कि तिनीहरू न्यूक्लियोन (ल्याटिन न्यूक्लियस = न्यूक्लियस) भनिने कणको रूप हुन्।

हाइड्रोजनको सरल आइसोटोपको न्यूक्लियस प्रोटोन भएकोले, यो देख्न सकिन्छ कि विलियम प्रोउट आफ्नो "हाइड्रोजन" परिकल्पनामा परमाणु निर्माण उनी धेरै गलत थिएनन् (हेर्नुहोस्: "एटम मार्फत युगहरू - भाग 2"; "युवा प्राविधिक" नम्बर 8/2015)। प्रारम्भमा, प्रोटोन र "प्रोटोन" नामहरू बीच पनि उतार चढावहरू थिए।

4. फिनिशमा फोटोसेलहरू - तिनीहरूको कामको आधार फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव हो (फोटो: Ies / विकिमीडिया कमन्स)

सबै कुरालाई अनुमति छैन

रदरफोर्डको मोडेल यसको उपस्थितिको समयमा "जन्मजात दोष" थियो। इलेक्ट्रोडायनामिक्सको म्याक्सवेलको नियम (त्यस समयमा पहिले नै काम गरिरहेको रेडियो प्रसारणले पुष्टि गरेको) अनुसार, सर्कलमा चलिरहेको इलेक्ट्रोनले विद्युत चुम्बकीय तरंग विकिरण गर्नुपर्छ।

यसरी, यसले ऊर्जा गुमाउँछ, जसको परिणामस्वरूप यो न्यूक्लियसमा खस्छ। सामान्य अवस्थामा, परमाणुहरू विकिरण गर्दैनन् (उच्च तापक्रममा तताउँदा स्पेक्ट्रा बनाइन्छ) र परमाणु प्रकोपहरू अवलोकन गर्दैनन् (एक इलेक्ट्रोनको अनुमानित जीवनकाल एक सेकेन्डको एक मिलियन भन्दा कम हुन्छ)।

रदरफोर्डको मोडेलले कण स्क्याटरिङ प्रयोगको नतिजालाई व्याख्या गर्यो, तर अझै पनि वास्तविकतासँग मेल खाएन।

1913 मा, मानिसहरूले सूक्ष्म जगतमा ऊर्जा लिइन्छ र कुनै मात्रामा होइन, तर अंशहरूमा पठाइन्छ भन्ने तथ्यमा "बानी" भयो, जसलाई क्वान्टा भनिन्छ। यस आधारमा, म्याक्स प्लांकले तातो शरीर (1900) र अल्बर्ट आइन्स्टाइन (1905) ले फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावको रहस्य, अर्थात्, प्रकाशित धातुहरूद्वारा इलेक्ट्रोनहरूको उत्सर्जन (4) द्वारा उत्सर्जित विकिरणको स्पेक्ट्राको प्रकृतिको व्याख्या गरे।

5. ट्यान्टलम अक्साइड क्रिस्टलमा इलेक्ट्रोनहरूको विवर्तन छविले यसको सममित संरचना देखाउँछ (फोटो: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 वर्षीय डेनिस भौतिकशास्त्री निल्स बोहरले रदरफोर्डको परमाणुको मोडेलमा सुधार गरे। उनले सुझाव दिए कि इलेक्ट्रोनहरू केवल केही ऊर्जा अवस्थाहरू पूरा गर्ने कक्षाहरूमा मात्र जान्छन्। थप रूपमा, इलेक्ट्रोनहरू चल्दा विकिरण उत्सर्जन गर्दैनन्, र उर्जा केवल अवशोषित र उत्सर्जित हुन्छ जब कक्षाहरू बीचमा बन्द हुन्छ। मान्यताहरूले शास्त्रीय भौतिकशास्त्रको विरोधाभास गरे, तर तिनीहरूको आधारमा प्राप्त नतिजाहरू (हाइड्रोजन परमाणुको आकार र यसको स्पेक्ट्रमको रेखाहरूको लम्बाइ) प्रयोगसँग मेल खाए। नयाँ जन्मेको मोडेल atomu.

दुर्भाग्यवश, नतिजाहरू हाइड्रोजन परमाणुको लागि मात्र मान्य थिए (तर सबै वर्णक्रमीय अवलोकनहरू व्याख्या गरेन)। अन्य तत्वहरूको लागि, गणना परिणामहरू वास्तविकतासँग मेल खाएनन्। यसरी, भौतिकशास्त्रीहरूसँग परमाणुको सैद्धान्तिक मोडेल थिएन।

एघार वर्षपछि रहस्य खुल्न थाल्यो । फ्रान्सेली भौतिकशास्त्री लुडविक डे ब्रोग्लीको डक्टरल शोध प्रबंधले भौतिक कणहरूको तरंग गुणहरूको बारेमा काम गर्यो। यो पहिले नै प्रमाणित भएको छ कि प्रकाश, तरंग (विवर्तन, अपवर्तन) को विशिष्ट विशेषताहरु को अतिरिक्त, कणहरु को एक संग्रह जस्तै व्यवहार गर्दछ - फोटोन (उदाहरण को लागी, इलेक्ट्रोनहरु संग लोचदार टक्करहरु)। तर सामूहिक वस्तुहरू? भौतिकशास्त्री बन्न चाहने राजकुमारका लागि यो सुझाव एउटा पाइप सपना जस्तो देखिन्थ्यो। यद्यपि, 1927 मा एउटा प्रयोग गरिएको थियो जसले डे ब्रोग्लीको परिकल्पनालाई पुष्टि गर्‍यो - इलेक्ट्रोन बीम धातुको क्रिस्टलमा विच्छेद भयो (5)।

परमाणुहरू कहाँबाट आयो?

सबैजना जस्तै: बिग ब्यांग। भौतिकशास्त्रीहरू विश्वास गर्छन् कि शाब्दिक रूपमा "शून्य बिन्दु" प्रोटोनहरू, न्यूट्रोन र इलेक्ट्रोनहरूबाट एक सेकेन्डको अंशमा, अर्थात्, घटक परमाणुहरू बनेका थिए। केहि मिनेट पछि (जब ब्रह्माण्ड चिसो भयो र पदार्थको घनत्व घट्यो), न्युक्लियन्सहरू एकसाथ मर्ज भए, हाइड्रोजन बाहेक अन्य तत्वहरूको केन्द्रबिन्दु बन्यो। हेलियम को सबैभन्दा ठूलो मात्रा, साथै निम्न तीन तत्व को निशान गठन भएको थियो। 100 XNUMX पछि मात्र धेरै वर्षसम्म, अवस्थाहरूले इलेक्ट्रोनहरूलाई न्यूक्लीमा बाँध्न अनुमति दियो - पहिलो परमाणुहरू बनाइयो। अर्कोको लागि लामो समय कुर्नुपर्‍यो। घनत्वमा अनियमित उतार-चढावहरूले घनत्वहरूको गठनको कारण बनायो, जुन तिनीहरू देखा पर्दा, अधिक र अधिक पदार्थहरूलाई आकर्षित गर्थे। चाँडै, ब्रह्माण्डको अन्धकारमा, पहिलो ताराहरू चम्किए।

लगभग एक अरब वर्ष पछि, तिनीहरू मध्ये केही मर्न थाले। तिनीहरूको पाठ्यक्रममा तिनीहरूले उत्पादन गरे परमाणुहरूको नाभिक तल फलाम सम्म। अब, जब तिनीहरू मरे, तिनीहरूले तिनीहरूलाई सबै क्षेत्रमा फैलाए, र खरानीबाट नयाँ ताराहरू जन्मिए। तिनीहरूमध्ये सबैभन्दा ठूलो एक शानदार अन्त थियो। सुपरनोवा विस्फोटको समयमा, न्यूक्लीमा यति धेरै कणहरूले बमबारी गरिएको थियो कि सबैभन्दा भारी तत्वहरू पनि बनाइयो। तिनीहरूले नयाँ ताराहरू, ग्रहहरू, र केही ग्लोबहरूमा - जीवन गठन गरे।

पदार्थ तरंगहरूको अस्तित्व प्रमाणित भएको छ। अर्कोतर्फ, एटममा रहेको इलेक्ट्रोनलाई स्थायी तरंग मानिन्थ्यो, जसका कारण यसले ऊर्जा विकिरण गर्दैन। गतिशील इलेक्ट्रोनहरूको तरंग गुणहरू इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपहरू सिर्जना गर्न प्रयोग गरियो, जसले पहिलो पटक परमाणुहरू हेर्न सम्भव बनायो (6)। पछिल्ला वर्षहरूमा, वर्नर हाइजेनबर्ग र एरविन श्रोडिङगरको काम (डे ब्रोग्लि परिकल्पनाको आधारमा) ले पूर्णतया अनुभवमा आधारित परमाणुको इलेक्ट्रोन शेलहरूको नयाँ मोडेल विकास गर्न सम्भव बनायो। तर यी लेखको दायरा बाहिरका प्रश्नहरू हुन्।

अल्केमिस्टहरूको सपना साकार भयो

प्राकृतिक रेडियोएक्टिभ रूपान्तरण, जसमा नयाँ तत्वहरू बनाइन्छ, 1919 औं शताब्दीको अन्त्यदेखि ज्ञात छ। XNUMX मा, केहि चीज जुन केवल प्रकृतिले अहिले सम्म सक्षम छ। यस अवधिमा अर्नेस्ट रदरफोर्ड पदार्थसँग कणहरूको अन्तरक्रियामा संलग्न थिए। परीक्षणको क्रममा, उनले देखे कि प्रोटोनहरू नाइट्रोजन ग्यासको साथ विकिरणको परिणामको रूपमा देखा पर्‍यो।

घटनाको लागि मात्र व्याख्या हेलियम न्यूक्ली (एक कण र यो तत्वको आइसोटोपको केन्द्रक) र नाइट्रोजन (7) बीचको प्रतिक्रिया थियो। नतिजाको रूपमा, अक्सिजन र हाइड्रोजन बनाइन्छ (एक प्रोटोन सबैभन्दा हल्का आइसोटोपको केन्द्रक हो)। कीमियाविद्को रूपान्तरणको सपना साकार भएको छ । निम्न दशकहरूमा, तत्वहरू उत्पादन गरियो जुन प्रकृतिमा पाइँदैन।

ए-कणहरू उत्सर्जन गर्ने प्राकृतिक रेडियोएक्टिभ तयारीहरू अब यस उद्देश्यका लागि उपयुक्त थिएनन् (भारी नाभिकहरूको कूलम्ब अवरोध प्रकाश कणको लागि तिनीहरूको नजिक पुग्न धेरै ठूलो छ)। त्वरकहरू, भारी आइसोटोपको नाभिकहरूलाई ठूलो ऊर्जा प्रदान गर्दै, "रसायनिक भट्टीहरू" हुन पुगे जसमा आजका रसायनशास्त्रीहरूका पुर्खाहरूले "धातुहरूको राजा" (8) प्राप्त गर्ने प्रयास गरे।

वास्तवमा, सुनको बारेमा के हो? अल्केमिस्टहरूले प्राय: पारालाई यसको उत्पादनको लागि कच्चा मालको रूपमा प्रयोग गर्थे। यो स्वीकार गर्नुपर्छ कि यस अवस्थामा तिनीहरूले एक वास्तविक "नाक" थियो। यो पाराबाट परमाणु रिएक्टरमा न्यूट्रोनसँग उपचार गरिएको थियो जुन कृत्रिम सुन पहिलो पटक प्राप्त गरिएको थियो। धातुको टुक्रा सन् १९५५ मा जेनेभा परमाणु सम्मेलनमा देखाइएको थियो।

चित्र 6. सुनको सतहमा परमाणुहरू, स्क्यानिङ टनेलिङ माइक्रोस्कोपमा छविमा देखिने।

7. तत्वहरूको पहिलो मानव रूपान्तरणको योजना

भौतिकशास्त्रीहरूको उपलब्धिको समाचारले विश्व स्टक एक्सचेन्जहरूमा पनि छोटो हलचल बनायो, तर सनसनीपूर्ण प्रेस रिपोर्टहरू यस तरिकामा खनिएको अयस्कको मूल्यको बारेमा जानकारीद्वारा खण्डन गरियो - यो प्राकृतिक सुन भन्दा धेरै गुणा महँगो छ। रिएक्टरहरूले बहुमूल्य धातु खानीलाई प्रतिस्थापन गर्दैनन्। तर तिनीहरूमा उत्पादित आइसोटोप र कृत्रिम तत्वहरू (औषधि, ऊर्जा, वैज्ञानिक अनुसन्धानको उद्देश्यका लागि) सुन भन्दा धेरै मूल्यवान छन्।

8. ऐतिहासिक साइक्लोट्रोन आवधिक तालिकामा युरेनियम पछि पहिलो केही तत्वहरू संश्लेषण गर्दै (लरेन्स विकिरण प्रयोगशाला, क्यालिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले, अगस्त 1939)

पाठमा उठाइएका मुद्दाहरू अन्वेषण गर्न चाहने पाठकहरूका लागि, म श्री टोमास सोविन्स्कीका लेखहरूको श्रृंखला सिफारिस गर्दछु। 2006-2010 मा "युवा प्राविधिक" मा देखा पर्‍यो (शीर्षक "कसरी तिनीहरूले पत्ता लगाए")। पाठहरू लेखकको वेबसाइटमा पनि उपलब्ध छन्:।

साइकल"युगको लागि एक परमाणु संग» उनले विगतको शताब्दीलाई प्रायः परमाणुको युग भनिन्थ्यो भन्ने रिमाइन्डरको साथ सुरु गरे। अवश्य पनि, पदार्थको संरचनामा XNUMX औं शताब्दीका भौतिकशास्त्रीहरू र रसायनशास्त्रीहरूको आधारभूत उपलब्धिहरू नोट गर्न असफल हुन सक्दैन। यद्यपि, हालैका वर्षहरूमा, सूक्ष्म जगतको बारेमा ज्ञान छिटो र छिटो विस्तार हुँदैछ, प्रविधिहरू विकसित भइरहेका छन् जसले व्यक्तिगत परमाणुहरू र अणुहरूलाई हेरफेर गर्न अनुमति दिन्छ। यसले हामीलाई परमाणुको वास्तविक उमेर अझै आइसकेको छैन भन्नको अधिकार दिन्छ।