Avec un atome à travers les âges - partie 3

Le modèle planétaire de l'atome de Rutherford était plus proche de la réalité que le "pudding aux raisins secs" de Thomson. Cependant, la vie de ce concept n'a duré que deux ans, mais avant de parler de successeur, il est temps de percer les prochains secrets atomiques.

1. Isotopes de l'hydrogène : prot stable et deutérium et tritium radioactif (photo : BruceBlaus/Wikimedia Commons).

avalanche nucléaire

La découverte du phénomène de la radioactivité, qui a marqué le début de la percée des mystères de l'atome, a d'abord menacé la base de la chimie - la loi de la périodicité. En peu de temps, plusieurs dizaines de substances radioactives ont été identifiées. Certains d'entre eux avaient les mêmes propriétés chimiques, malgré la masse atomique différente, tandis que d'autres, avec les mêmes masses, avaient des propriétés différentes. De plus, dans la zone du tableau périodique où ils auraient dû être placés en raison de leur poids, il n'y avait pas assez d'espace libre pour les accueillir tous. Le tableau périodique a été perdu en raison d'une avalanche de découvertes.

2. Réplique du spectromètre de masse de J.J. Thompson de 1911 (photo : Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Noyau atomique

C'est 10-100 mille. fois plus petit que l'atome entier. Si le noyau d'un atome d'hydrogène devait être agrandi à la taille d'une balle d'un diamètre de 1 cm et placé au centre d'un terrain de football, alors un électron (plus petit qu'une tête d'épingle) se trouverait à proximité d'un but (plus de 50 mètres).

Presque toute la masse d'un atome est concentrée dans le noyau, par exemple, pour l'or, c'est presque 99,98%. Imaginez un cube de ce métal pesant 19,3 tonnes. Tout noyaux d'atomes l'or ont un volume total inférieur à 1/1000 mm3 (une bille de diamètre inférieur à 0,1 mm). Par conséquent, l'atome est terriblement vide. Les lecteurs doivent calculer la densité du matériau de base.

La solution à ce problème a été trouvée en 1910 par Frederick Soddy. Il a introduit le concept d'isotopes, c'est-à-dire variétés d'un même élément qui diffèrent par leur masse atomique (1). Ainsi, il remet en cause un autre postulat de Dalton : à partir de ce moment, un élément chimique ne doit plus être constitué d'atomes de même masse. L'hypothèse isotopique, après confirmation expérimentale (spectrographe de masse, 1911), a également permis d'expliquer les valeurs fractionnaires des masses atomiques de certains éléments - la plupart d'entre eux sont des mélanges de nombreux isotopes, et masse atomique est la moyenne pondérée des masses de tous (2).

Composants du noyau

Un autre étudiant de Rutherford, Henry Moseley, étudia en 1913 les rayons X émis par des éléments connus. Contrairement aux spectres optiques complexes, le spectre des rayons X est très simple - chaque élément n'émet que deux longueurs d'onde, dont les longueurs d'onde sont facilement corrélées à la charge de son noyau atomique.

3. L'un des appareils à rayons X utilisés par Moseley (photo : Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Cela a permis pour la première fois de présenter le nombre réel d'éléments existants, ainsi que de déterminer combien d'entre eux ne sont toujours pas suffisants pour combler les lacunes du tableau périodique (3).

Une particule portant une charge positive est appelée un proton (grec proton = premier). Un autre problème s'est immédiatement posé. La masse d'un proton est approximativement égale à 1 unité. Tandis que noyau atomique le sodium avec une charge de 11 unités a une masse de 23 unités ? La même chose, bien sûr, est le cas avec d'autres éléments. Cela signifie qu'il doit y avoir d'autres particules présentes dans le noyau et n'ayant pas de charge. Initialement, les physiciens ont supposé qu'il s'agissait de protons fortement liés à des électrons, mais à la fin, il a été prouvé qu'une nouvelle particule est apparue - le neutron (neutre latin = neutre). La découverte de cette particule élémentaire (les soi-disant "briques" de base qui composent toute la matière) a été faite en 1932 par le physicien anglais James Chadwick.

Les protons et les neutrons peuvent se transformer les uns dans les autres. Les physiciens supposent qu'il s'agit de formes d'une particule appelée nucléon (noyau latin = noyau).

Puisque le noyau de l'isotope d'hydrogène le plus simple est un proton, on peut voir que William Prout dans son hypothèse "hydrogène" construction d'atome il n'avait pas trop tort (voir : « Avec l'atome à travers les âges - partie 2 » ; « Jeune technicien » n°8/2015). Au départ, il y avait même des fluctuations entre les noms proton et "proton".

4. Photocellules à l'arrivée - la base de leur travail est l'effet photoélectrique (photo : Ies / Wikimedia Commons)

Tout n'est pas permis

Le modèle de Rutherford au moment de son apparition avait un "défaut congénital". Selon les lois de l'électrodynamique de Maxwell (confirmées par la radiodiffusion fonctionnant déjà à cette époque), un électron se déplaçant dans un cercle devrait émettre une onde électromagnétique.

Ainsi, il perd de l'énergie, à la suite de quoi il tombe sur le noyau. Dans des conditions normales, les atomes ne rayonnent pas (des spectres se forment lorsqu'ils sont chauffés à des températures élevées) et les catastrophes atomiques ne sont pas observées (la durée de vie estimée d'un électron est inférieure à un millionième de seconde).

Le modèle de Rutherford expliquait le résultat de l'expérience de diffusion des particules, mais ne correspondait toujours pas à la réalité.

En 1913, les gens se sont "habitués" au fait que l'énergie dans le microcosme est prélevée et envoyée non pas en quantité quelconque, mais en portions appelées quanta. Sur cette base, Max Planck a expliqué la nature des spectres de rayonnement émis par des corps chauffés (1900), et Albert Einstein (1905) a expliqué les secrets de l'effet photoélectrique, c'est-à-dire l'émission d'électrons par des métaux illuminés (4).

5. L'image de diffraction des électrons sur un cristal d'oxyde de tantale montre sa structure symétrique (photo : Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Le physicien danois de 28 ans Niels Bohr a amélioré le modèle atomique de Rutherford. Il a suggéré que les électrons ne se déplacent que sur des orbites qui répondent à certaines conditions d'énergie. De plus, les électrons n'émettent pas de rayonnement lorsqu'ils se déplacent et l'énergie n'est absorbée et émise que lorsqu'ils sont shuntés entre les orbites. Les hypothèses contredisaient la physique classique, mais les résultats obtenus sur leur base (la taille de l'atome d'hydrogène et la longueur des raies de son spectre) se sont avérés cohérents avec l'expérience. nouveau née modèle atomique.

Malheureusement, les résultats n'étaient valables que pour l'atome d'hydrogène (mais n'expliquaient pas toutes les observations spectrales). Pour les autres éléments, les résultats des calculs ne correspondaient pas à la réalité. Ainsi, les physiciens ne disposaient pas encore d'un modèle théorique de l'atome.

Les mystères ont commencé à s'éclaircir après onze ans. La thèse de doctorat du physicien français Ludwik de Broglie portait sur les propriétés ondulatoires des particules matérielles. Il a déjà été prouvé que la lumière, en plus des caractéristiques typiques d'une onde (diffraction, réfraction), se comporte également comme un ensemble de particules - des photons (par exemple, des collisions élastiques avec des électrons). Mais des objets de masse ? La suggestion ressemblait à une chimère pour un prince qui voulait devenir physicien. Cependant, en 1927, une expérience a été réalisée qui a confirmé l'hypothèse de de Broglie - le faisceau d'électrons diffracté sur un cristal métallique (5).

D'où viennent les atomes ?

Comme tout le monde : Big Bang. Les physiciens pensent que littéralement en une fraction de seconde à partir du "point zéro", des protons, des neutrons et des électrons, c'est-à-dire les atomes constitutifs, se sont formés. Quelques minutes plus tard (lorsque l'univers s'est refroidi et que la densité de la matière a diminué), les nucléons ont fusionné, formant les noyaux d'éléments autres que l'hydrogène. La plus grande quantité d'hélium s'est formée, ainsi que des traces des trois éléments suivants. Seulement après 100 XNUMX Pendant de nombreuses années, les conditions ont permis la liaison des électrons aux noyaux - les premiers atomes se sont formés. J'ai dû attendre longtemps pour le suivant. Les fluctuations aléatoires de densité provoquaient la formation de densités qui, au fur et à mesure de leur apparition, attiraient de plus en plus de matière. Bientôt, dans l'obscurité de l'univers, les premières étoiles s'embrasèrent.

Après environ un milliard d'années, certains d'entre eux ont commencé à mourir. Dans leur cours, ils ont produit noyaux d'atomes jusqu'au fer. Maintenant, quand ils sont morts, ils les ont répandus dans toute la région, et de nouvelles étoiles sont nées de leurs cendres. Le plus massif d'entre eux a eu une fin spectaculaire. Lors des explosions de supernova, les noyaux ont été bombardés de tant de particules que même les éléments les plus lourds se sont formés. Ils ont formé de nouvelles étoiles, des planètes et sur certains globes - la vie.

L'existence d'ondes de matière a été prouvée. D'autre part, un électron dans un atome était considéré comme une onde stationnaire, en raison de laquelle il ne rayonne pas d'énergie. Les propriétés ondulatoires des électrons en mouvement ont été utilisées pour créer des microscopes électroniques, qui ont permis de voir des atomes pour la première fois (6). Dans les années suivantes, les travaux de Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger (sur la base de l'hypothèse de Broglie) ont permis de développer un nouveau modèle des couches électroniques de l'atome, entièrement basé sur l'expérience. Mais ce sont des questions qui dépassent le cadre de l'article.

Le rêve des alchimistes est devenu réalité

Les transformations radioactives naturelles, au cours desquelles de nouveaux éléments se forment, sont connues depuis la fin du 1919e siècle. En XNUMX, quelque chose dont seule la nature était capable jusqu'à présent. Ernest Rutherford pendant cette période était engagé dans l'interaction des particules avec la matière. Au cours des tests, il a remarqué que les protons apparaissaient à la suite d'une irradiation avec de l'azote gazeux.

La seule explication du phénomène était la réaction entre les noyaux d'hélium (une particule et le noyau d'un isotope de cet élément) et l'azote (7). En conséquence, de l'oxygène et de l'hydrogène se forment (un proton est le noyau de l'isotope le plus léger). Le rêve de transmutation des alchimistes s'est réalisé. Au cours des décennies suivantes, des éléments ont été produits qui ne se trouvent pas dans la nature.

Les préparations radioactives naturelles émettant des particules a n'étaient plus adaptées à cet usage (la barrière coulombienne des noyaux lourds est trop grande pour qu'une particule légère puisse s'en approcher). Les accélérateurs, conférant une énergie énorme aux noyaux des isotopes lourds, se sont avérés être des "fours alchimiques", dans lesquels les ancêtres des chimistes d'aujourd'hui ont tenté d'obtenir le "roi des métaux" (8).

En fait, qu'en est-il de l'or ? Les alchimistes utilisaient le plus souvent le mercure comme matière première pour sa production. Il faut bien avouer qu'en l'occurrence ils avaient un vrai « nez ». C'est à partir de mercure traité par des neutrons dans un réacteur nucléaire que l'or artificiel a été obtenu pour la première fois. La pièce métallique a été présentée en 1955 à la Conférence atomique de Genève.

Fig. 6. Atomes à la surface de l'or, visibles sur l'image au microscope à effet tunnel.

7. Schéma de la première transmutation humaine des éléments

La nouvelle de la réussite des physiciens a même fait sensation sur les bourses mondiales, mais les articles de presse sensationnels ont été réfutés par des informations sur le prix du minerai extrait de cette manière - il est plusieurs fois plus cher que l'or naturel. Les réacteurs ne remplaceront pas la mine de métaux précieux. Mais les isotopes et les éléments artificiels qui y sont produits (à des fins médicales, énergétiques, de recherche scientifique) ont beaucoup plus de valeur que l'or.

8. Cyclotron historique synthétisant les premiers éléments après l'uranium dans le tableau périodique (Lawrence Radiation Laboratory, Université de Californie, Berkeley, août 1939)

Pour les lecteurs qui souhaitent explorer les questions soulevées dans le texte, je recommande une série d'articles de M. Tomasz Sowiński. Paru dans "Young Technics" en 2006-2010 (sous le titre "Comment ils ont découvert"). Les textes sont également disponibles sur le site de l'auteur à l'adresse : .

Cycle "Avec un atome depuis des lustres» Il a commencé par rappeler que le siècle passé était souvent appelé l'âge de l'atome. Bien sûr, on ne peut manquer de noter les réalisations fondamentales des physiciens et chimistes du XIXème siècle dans la structure de la matière. Cependant, ces dernières années, les connaissances sur le microcosme se développent de plus en plus vite, des technologies sont développées qui permettent de manipuler des atomes et des molécules individuels. Cela nous donne le droit de dire que l'âge réel de l'atome n'est pas encore arrivé.