時代を超えたアトムと - パート3

ページ内容

核雪崩
- - 原子核
カーネルコンポーネント
- 全てが許されるわけではない
  - 原子はどこから来たのでしょうか?
- 錬金術師の夢が叶った

ラザフォードの原子の惑星モデルは、トムソンの「レーズンプディング」よりも現実に近かった。しかし、この概念の存続期間はわずか XNUMX 年でしたが、後継について話す前に、次の原子の秘密を解明する時期が来ました。

1. 水素同位体: 安定なプロトコール、重水素、および放射性トリチウム (写真: BruceBlaus/Wikimedia Commons)。

核雪崩

原子の謎の解明の始まりとなった放射能現象の発見は、当初、化学の基礎である周期性の法則を脅かしました。短期間に数十の放射性物質が確認された。それらの中には、原子量が異なるにもかかわらず同じ化学的性質を持つものもあれば、同じ質量であっても異なる性質を持つものもあります。さらに、その重量のためにそれらが配置されるべき周期表の領域には、それらすべてを収容するのに十分な空きスペースがありませんでした。周期表は、雪崩のような発見によって失われた。

2. J.J. トンプソンの 1911 年質量分析計のレプリカ (写真: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

原子核

これは10〜100万です。原子全体よりも数倍小さい。水素原子の原子核を直径1cmのボール大に拡大し、サッカー場の中央に置くと、ゴール付近に電子（ピンの頭より小さい）が存在することになります。（50メートル以上）。

原子のほぼ全質量が原子核に集中しており、たとえば金の場合、その質量はほぼ 99,98% です。この金属の立方体が 19,3 トンあると想像してください。全て 原子核 金の総体積は 1/1000 mm3 未満（球の直径は 0,1 mm 未満）です。したがって、原子はひどく空です。読者は基材の密度を計算する必要があります。

この問題の解決策は、1910 年に Frederick Soddy によって発見されました。彼は同位体の概念を導入しました。原子量が異なる同じ元素の種類 (1)。したがって、彼はダルトンの別の仮説に疑問を投げかけました-その瞬間から、化学元素はもはや同じ質量の原子で構成されるべきではありません. 同位体仮説は、実験的確認（質量分析計、1911）の後、いくつかの元素の原子質量の分数値を説明することも可能にしました-それらのほとんどは多くの同位体の混合物であり、 原子質量 はそれらすべての質量の加重平均です (2)。

カーネルコンポーネント

ラザフォードのもう一人の学生であるヘンリー・モーズリーは、1913 年に既知の元素から放出される X 線を研究しました。複雑な光学スペクトルとは異なり、X 線スペクトルは非常に単純です。各元素は XNUMX つの波長のみを放射し、その波長は原子核の電荷と簡単に相関します。

3. モーズリーが使用した X 線装置の XNUMX 台 (写真: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

これにより、存在する元素の実際の数を示すことが初めて可能になり、また周期表の隙間を埋めるのにまだ十分でない元素がいくつあるかを判断することができました (3)。

正の電荷を帯びた粒子は陽子と呼ばれます（ギリシャ語で陽子＝最初）。すぐに別の問題が発生しました。陽子の質量はほぼ 1 単位に等しい。一方 原子核 電荷が11単位のナトリウムの質量は23単位ですか? もちろん、他の要素についても同様です。これは、核内に電荷を持たない他の粒子が存在する必要があることを意味します。当初、物理学者はこれらが電子と強く結合した陽子であると想定していましたが、最終的に新しい粒子が出現したことが証明されました - 中性子 (ラテン中性 = 中性)。この素粒子 (すべての物質を構成するいわゆる基本的な「レンガ」) の発見は、1932 年に英国の物理学者 James Chadwick によって行われました。

陽子と中性子は互いに変化することができます。物理学者は、それらは核子（ラテン語で核＝核）と呼ばれる粒子の形態であると推測しています。

水素の最も単純な同位体の原子核は陽子であるため、ウィリアム・プラウトが「水素」仮説を立てたことがわかります。 原子構造 彼はそれほど間違っていませんでした (参照: 「時代を超えた原子とともに - パート 2」、「若い技術者」No. 8/2015)。当初、プロトンと「プロトン」という名前の間には変動さえありました。

4. フィニッシュのフォトセル – その働きの基礎は光電効果です (写真: Ies / Wikimedia Commons)

全てが許されるわけではない

登場当時のラザフォードモデルには「先天的欠陥」があった。マクスウェルの電気力学の法則 (当時すでに機能していたラジオ放送によって確認されています) によれば、円運動する電子は電磁波を放射するはずです。

したがって、それはエネルギーを失い、その結果として原子核に落ちます。通常の条件下では、原子は放射せず（高温に加熱するとスペクトルが形成されます）、原子の大惨事は観察されません（電子の推定寿命はXNUMX万分のXNUMX秒未満です）。

ラザフォードのモデルは粒子散乱実験の結果を説明しましたが、それでも現実には対応していませんでした。

1913年、人々は小宇宙のエネルギーがいかなる量でも取り込まれ送られるのではなく、量子と呼ばれる部分で送られるという事実に「慣れた」。これに基づいて、マックス・プランクは加熱された物体によって放出される放射線のスペクトルの性質を説明し(1900年)、アルバート・アインシュタイン(1905年)は光電効果、すなわち照射された金属による電子の放出の秘密を説明しました(4)。

5. 酸化タンタル結晶上の電子の回折像は、その対称構造を示しています (写真: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 歳のデンマークの物理学者ニールス・ボーアは、ラザフォードの原子モデルを改良しました。彼は、電子は特定のエネルギー条件を満たす軌道上でのみ移動すると示唆しました。さらに、電子は移動中に放射線を放出せず、エネルギーは軌道間を迂回するときにのみ吸収および放出されます。この仮定は古典物理学と矛盾していましたが、それに基づいて得られた結果 (水素原子のサイズとそのスペクトル線の長さ) は実験と一致していることが判明しました。生まれたばかりの モデル原子.

残念ながら、結果は水素原子についてのみ有効でした（ただし、すべてのスペクトル観測を説明したわけではありません）。他の要素については、計算結果が現実と一致していませんでした。したがって、物理学者は原子の理論モデルをまだ持っていませんでした。

謎は1927年後に明らかになり始めました。フランスの物理学者Ludwik de Broglieの博士論文は、物質粒子の波動特性を扱っていました。波の典型的な特性（回折、屈折）に加えて、光は粒子の集まりのように振る舞うことがすでに証明されています-光子（たとえば、電子との弾性衝突）。しかし、質量オブジェクト？この提案は、物理学者になりたいと思っていた王子にとって夢物語のように思えました。しかし、5 年にドブロイの仮説を確認する実験が行われました。電子ビームは金属結晶上で回折しました (XNUMX)。

原子はどこから来たのでしょうか?

他のみんなと同じように、ビッグバン。物理学者は、「ゼロ点」から文字通りほんの一瞬で陽子、中性子、電子、つまり構成原子が形成されたと信じています。数分後（宇宙が冷えて物質の密度が減少すると）、核子は合体して水素以外の元素の原子核を形成しました。最も多量のヘリウムが形成され、以下の 100 つの元素も微量に生成されました。 XNUMX年後になって初めて、長年にわたり、電子が原子核に結合できる条件が整い、最初の原子が形成されました。次の作品まで長い間待たなければなりませんでした。密度のランダムな変動により密度が形成され、それが現れたように、より多くの物質を引き寄せました。すぐに、宇宙の暗闇の中で、最初の星が燃え上がりました。

約XNUMX億年後、そのうちのいくつかは死に始めました。彼らのコースで彼らが生み出したのは、 原子核 鉄まで。今、彼らが死んだとき、彼らはそれらを地域全体に広げ、灰から新しい星が生まれました. それらの中で最も大規模なものには、壮観な終わりがありました。超新星爆発の間、核は非常に多くの粒子で衝突され、最も重い元素でさえ形成されました. 彼らは新しい星、惑星、そしていくつかの球体 - 生命 - を形成しました。

物質波の存在は証明されています。一方、原子内の電子はエネルギーを放射しない定在波と考えられていました。移動する電子の波動特性を利用して電子顕微鏡が作成され、初めて原子を見ることが可能になりました (6)。その後、ヴェルナー・ハイゼンベルクとエルヴィン・シュレディンガーの研究（ド・ブロイ仮説に基づく）により、完全に経験に基づいた原子の電子殻の新しいモデルの開発が可能になりました。しかし、これらは記事の範囲を超える質問です。

錬金術師の夢が叶った

新しい元素が形成される自然の放射性変化は、1919 世紀末から知られていました。２０年には、これまで自然だけが可能にしてきたことが起こります。この時期のアーネスト・ラザフォードは粒子と物質の相互作用に従事していました。実験中、窒素ガスの照射により陽子が出現することに気づいた。

この現象の唯一の説明は、ヘリウム原子核 (この元素の同位体の粒子と原子核) と窒素の間の反応でした (7)。その結果、酸素と水素が形成されます（陽子は最も軽い同位体の原子核です）。錬金術師たちの錬成の夢が実現した。その後の数十年間で、自然界には見られない元素が生成されました。

α粒子を放出する天然の放射性物質は、もはやこの目的には適していない（重い原子核のクーロン障壁は、軽い粒子がそれに近づくには大きすぎる）。重い同位体の原子核に膨大なエネルギーを与える加速器は、今日の化学者の祖先が「金属の王」を手に入れようとした「錬金術炉」であることが判明しました(8)。

実際のところ、金はどうでしょうか？錬金術師は、ほとんどの場合、その製造の原料として水銀を使用しました。この場合、彼らには本物の「鼻」があったことを認めなければなりません。人工金が最初に得られたのは、原子炉内で中性子で処理された水銀からでした。この金属片は 1955 年のジュネーブ原子力会議で展示されました。

図 6. 走査型トンネル顕微鏡の画像で見える金の表面の原子。

7. 人間による最初の元素変換のスキーム

物理学者の功績のニュースは、世界の証券取引所で短い騒動を引き起こしましたが、センセーショナルな報道は、この方法で採掘された鉱石の価格に関する情報によって反駁されました-それは天然の金よりも何倍も高価です. 原子炉は貴金属鉱山に取って代わるものではありません。しかし、それらで生成された同位体と人工元素（医学、エネルギー、科学研究の目的で）は、金よりもはるかに価値があります.

8. 周期表のウランに続く最初の数元素を合成する歴史的なサイクロトロン (カリフォルニア大学バークレー校、ローレンス放射線研究所、1939 年 XNUMX 月)

本文で提起された問題を探求したい読者には、Tomasz Sowiński 氏による一連の記事をお勧めします。 2006年から2010年にかけて「Young Technics」に出演（見出し「発見方法」）。テキストは、次の著者の Web サイトでも入手できます。

循環」原子とともに永遠に» 彼は、前世紀はしばしば原子の時代と呼ばれたことを思い出させることから始めました。もちろん、物質の構造におけるXNUMX世紀の物理学者と化学者の基本的な成果に注目することはできません。しかし、近年、小宇宙に関する知識はますます急速に広がり、個々の原子や分子を操作できる技術が開発されています。これは、原子の本当の時代はまだ到来していないと言う権利を私たちに与えます。