오랜 세월 동안 원자와 함께 - 3부
Rutherford의 행성 원자 모델은 Thomson의 "건포도 푸딩"보다 현실에 더 가깝습니다. 그러나이 개념의 수명은 XNUMX 년에 불과했지만 후계자에 대해 이야기하기 전에 다음 원자의 비밀을 밝혀야 할 때입니다.
1. 수소 동위원소: 안정한 prot, 중수소 및 방사성 삼중수소(사진: BruceBlaus/Wikimedia Commons).
핵 사태
원자의 신비를 풀기 시작한 방사능 현상의 발견은 처음에는 주기성의 법칙인 화학의 기초를 위협했습니다. 짧은 시간에 수십 개의 방사성 물질이 확인되었습니다. 그들 중 일부는 다른 원자량에도 불구하고 동일한 화학적 특성을 가졌고, 같은 질량을 가진 다른 것들은 다른 특성을 가졌습니다. 더군다나 그 무게 때문에 놓여야 할 주기율표 영역에 그것들을 모두 수용할 수 있는 여유 공간이 부족했다. 발견의 눈사태로 인해 주기율표가 사라졌습니다.
2. J.J. 톰슨의 1911년 질량 분석기 복제품(사진: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)
원자핵
이것은 10-100입니다. 전체 원자보다 몇 배 작습니다. 수소 원자의 핵을 직경 1cm의 공 크기로 확대하여 축구장 중앙에 놓으면 골대 근처에 전자(핀 머리보다 작은)가 있을 것입니다. (50m 이상).
원자의 거의 전체 질량은 핵에 집중되어 있습니다. 예를 들어 금의 경우 거의 99,98%입니다. 무게가 19,3톤인 이 금속 정육면체를 상상해 보십시오. 모두 원자핵 금은 전체 부피가 1/1000mm3 미만(직경이 0,1mm 미만인 공)입니다. 따라서 원자는 몹시 비어 있습니다. 독자는 기본 재료의 밀도를 계산해야 합니다.
이 문제에 대한 해결책은 1910년 Frederick Soddy에 의해 발견되었습니다. 그는 동위 원소의 개념을 도입했습니다. 원자량이 다른 동일한 원소의 변종(1). 따라서 그는 Dalton의 또 다른 가정에 의문을 제기했습니다. 그 순간부터 화학 원소는 더 이상 같은 질량의 원자로 구성되어서는 안됩니다. 동위 원소 가설은 실험적 확인 (질량 분광기, 1911) 후 일부 원소의 원자 질량의 분율 값을 설명 할 수있게했습니다. 대부분은 많은 동위 원소의 혼합물이며 원자 질량 모든 질량의 가중 평균입니다(2).
커널 구성 요소
Rutherford의 또 다른 학생인 Henry Moseley는 1913년에 알려진 원소에서 방출되는 X선을 연구했습니다. 복잡한 광학 스펙트럼과 달리 X선 스펙트럼은 매우 단순합니다. 각 요소는 두 개의 파장만 방출하며, 그 파장은 원자핵의 전하와 쉽게 연관됩니다.
3. Moseley가 사용한 X-ray 장비 중 하나 (사진: Magnus Manske/Wikimedia Commons)
이를 통해 처음으로 기존 원소의 실제 수를 제시하고 주기율표(3)의 간격을 채우기에 충분하지 않은 원소 수를 결정할 수 있었습니다.
양전하를 띠는 입자를 양성자(그리스 양성자 = 첫 번째)라고 합니다. 또 다른 문제가 즉시 발생했습니다. 양성자의 질량은 대략 1 단위와 같습니다. 반면 원자핵 전하량이 11단위인 나트륨의 질량은 23단위입니까? 물론 다른 요소들도 마찬가지다. 이것은 핵에 존재하고 전하를 갖지 않는 다른 입자가 있어야 함을 의미합니다. 처음에 물리학자들은 이것이 전자와 강하게 결합된 양성자라고 가정했지만 결국 새로운 입자인 중성자(라틴어 중성자 = 중성자)가 나타났다는 것이 증명되었습니다. 이 기본 입자(모든 물질을 구성하는 소위 기본 "벽돌")의 발견은 1932년 영국 물리학자 제임스 채드윅에 의해 이루어졌습니다.
양성자와 중성자는 서로 바뀔 수 있습니다. 물리학자들은 핵자(라틴어 nucleus = nucleus)라고 불리는 입자의 형태라고 추측합니다.
수소의 가장 단순한 동위원소의 핵은 양성자이기 때문에 William Prout가 그의 "수소" 가설에서 원자의 구조 그의 생각은 그다지 틀리지 않았습니다. 처음에는 양성자와 "양성자"라는 이름 사이에도 변동이 있었습니다.
4. 마무리 단계의 광전지 - 작업의 기본은 광전 효과입니다. (사진: Ies / Wikimedia Commons)
모든 것이 허용되는 것은 아닙니다
등장 당시 러더퍼드의 모델은 '선천적 결함'을 갖고 있었다. 맥스웰의 전기역학 법칙(당시 이미 기능하고 있던 라디오 방송으로 확인)에 따르면 원을 그리며 움직이는 전자는 전자기파를 방출해야 한다.
따라서 에너지를 잃어 핵에 떨어집니다. 정상적인 조건에서는 원자가 방사되지 않으며(고온으로 가열될 때 스펙트럼이 형성됨) 원자 재앙이 관찰되지 않습니다(예상되는 전자의 수명은 XNUMX만분의 XNUMX초 미만).
러더퍼드의 모델은 입자 산란 실험의 결과를 설명했지만 여전히 현실과 일치하지 않았습니다.
1913 년에 사람들은 소우주의 에너지가 양이 아니라 양자라고하는 부분으로 전송된다는 사실에 "익숙해졌습니다". 이를 바탕으로 Max Planck는 가열된 물체에서 방출되는 복사 스펙트럼의 특성을 설명했고(1900) Albert Einstein(1905)은 광전 효과, 즉 조명된 금속에 의한 전자 방출의 비밀을 설명했습니다(4).
5. 탄탈륨 산화물 결정의 전자 회절 이미지는 대칭 구조를 보여줍니다. (사진: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)
28세의 덴마크 물리학자 Niels Bohr는 Rutherford의 원자 모델을 개선했습니다. 그는 전자가 특정 에너지 조건을 충족하는 궤도에서만 움직인다고 제안했습니다. 또한 전자는 이동하면서 방사선을 방출하지 않으며 에너지는 궤도 사이를 이동할 때만 흡수 및 방출됩니다. 가정은 고전 물리학과 모순되었지만 그 결과 (수소 원자의 크기와 스펙트럼 선의 길이)는 실험과 일치하는 것으로 나타났습니다. 새로 태어난 모델 원자.
불행히도 결과는 수소 원자에 대해서만 유효했습니다(그러나 모든 스펙트럼 관찰을 설명하지는 못했습니다). 다른 요소에 대해서는 계산 결과가 현실과 일치하지 않았습니다. 따라서 물리학자들은 아직 원자에 대한 이론적인 모형을 갖고 있지 않았습니다.
미스터리는 1927년 후에 풀리기 시작했습니다. 프랑스 물리학자 Ludwik de Broglie의 박사 학위 논문은 물질 입자의 파동 특성을 다루었습니다. 빛은 파동의 일반적인 특성(회절, 굴절) 외에도 광자(예: 전자와의 탄성 충돌)와 같은 입자 집합처럼 행동한다는 것이 이미 입증되었습니다. 그러나 질량 물체? 그 제안은 물리학자가 되고 싶었던 왕자에게 헛된 꿈처럼 보였다. 그러나 5년에 de Broglie의 가설인 전자빔이 금속 결정에서 회절된다는 실험이 수행되었습니다(XNUMX).
원자는 어디에서 왔습니까?
다른 사람들처럼: 빅뱅. 물리학자들은 문자 그대로 "제로 포인트"에서 양성자, 중성자 및 전자, 즉 구성 원자가 형성되었다고 믿습니다. 몇 분 후(우주가 냉각되고 물질의 밀도가 감소했을 때) 핵자가 서로 합쳐져 수소 이외의 원소의 핵을 형성했습니다. 가장 많은 양의 헬륨과 다음 세 가지 원소의 흔적이 형성되었습니다. 100 XNUMX 이후에만 수년 동안 전자가 핵에 결합하는 조건이 허용되었습니다. 첫 번째 원자가 형성되었습니다. 다음 편을 오래 기다려야 했다. 밀도의 무작위 변동은 밀도의 형성을 야기했으며, 밀도는 점점 더 많은 물질을 끌어당겼습니다. 곧 우주의 어둠 속에서 첫 번째 별이 타올랐습니다.
약 XNUMX억년 후에 그들 중 일부는 죽기 시작했습니다. 그들의 과정에서 그들은 생산 원자핵 철까지. 이제 그들이 죽었을 때 그들은 지역 전체에 퍼졌고 잿더미에서 새로운 별이 태어났습니다. 그들 중 가장 거대한 것은 화려한 끝을 가졌습니다. 초신성 폭발 동안 핵은 너무 많은 입자로 충격을 받아 가장 무거운 원소도 형성되었습니다. 그들은 새로운 별, 행성 및 일부 지구본에서 생명을 형성했습니다.
물질파의 존재가 입증되었습니다. 반면에 원자의 전자는 정상파로 간주되어 에너지를 방출하지 않습니다. 움직이는 전자의 파동 특성은 전자 현미경을 만드는 데 사용되었으며, 이를 통해 처음으로 원자를 볼 수 있게 되었습니다(6). 이후 몇 년 동안 Werner Heisenberg와 Erwin Schrödinger의 작업(de Broglie 가설에 기초함)은 완전히 경험을 기반으로 원자의 전자 껍질에 대한 새로운 모델을 개발하는 것을 가능하게 했습니다. 그러나 이것들은 기사의 범위를 벗어난 질문입니다.
연금술사의 꿈이 이루어졌다
새로운 원소가 형성되는 자연 방사성 변환은 1919세기 말부터 알려져 왔다. XNUMX 년에는 지금까지 자연 만이 가능했던 것입니다. 이 기간 동안 Ernest Rutherford는 입자와 물질의 상호 작용에 관여했습니다. 테스트 중에 그는 질소 가스 조사 결과 양성자가 나타나는 것을 발견했습니다.
이 현상에 대한 유일한 설명은 헬륨 핵(입자와 이 원소의 동위원소 핵)과 질소(7) 사이의 반응이었습니다. 결과적으로 산소와 수소가 형성됩니다(양성자는 가장 가벼운 동위원소의 핵입니다). 연금술사들의 변신의 꿈이 이루어졌습니다. 이후 수십 년 동안 자연에서 발견되지 않는 요소가 생산되었습니다.
α 입자를 방출하는 천연 방사성 제제는 더 이상 이 목적에 적합하지 않았습니다(무거운 핵의 쿨롱 장벽이 너무 커서 가벼운 입자가 접근할 수 없음). 무거운 동위 원소의 핵에 막대한 에너지를 공급하는 가속기는 오늘날 화학자의 조상이 "금속의 왕"(8)을 얻으려고 시도한 "연금술 용광로"로 밝혀졌습니다.
사실, 금은 어떻습니까? 연금술사들은 수은을 생산 원료로 가장 자주 사용했습니다. 이 경우 그들은 진짜 "코"를 가졌다는 것을 인정해야 합니다. 인공 금을 처음 얻은 것은 원자로에서 중성자로 처리된 수은에서였습니다. 금속 조각은 1955년 제네바 원자력 회의에서 공개되었습니다.
그림 6. 주사 터널링 현미경 이미지에서 볼 수 있는 금 표면의 원자.
7. 인류 최초의 원소 변환 계획
물리학 자의 업적 소식은 세계 증권 거래소에 짧은 동요를 불러 일으켰지 만 이런 식으로 채굴 된 광석 가격에 대한 정보는 놀라운 언론 보도를 반박했습니다. 천연 금보다 몇 배 더 비쌉니다. 원자로는 귀금속 광산을 대체하지 않습니다. 그러나 그 안에서 생산되는 동위원소와 인공 원소(의학, 에너지, 과학 연구 목적)는 금보다 훨씬 더 가치가 있습니다.
8. 주기율표에서 우라늄 다음으로 처음 몇 가지 원소를 합성하는 역사적인 사이클로트론(Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, 1939년 XNUMX월)
본문에서 제기된 문제를 탐구하고 싶은 독자에게는 Tomasz Sowiński 씨의 일련의 기사를 추천합니다. 2006-2010년 "Young Technics"에 출연했습니다("How They Discover"라는 제목 아래). 텍스트는 저자의 웹사이트( )에서도 볼 수 있습니다.
주기 "영원히 원자와 함께» 그는 지난 세기가 종종 원자의 시대라고 불렸다는 것을 상기시키는 것으로 시작했습니다. 물론 물질 구조에서 XNUMX 세기 물리학 자와 화학자의 근본적인 업적에 주목하지 않을 수 없습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 소우주에 대한 지식이 점점 더 빠르게 확장되고 있으며 개별 원자와 분자를 조작할 수 있는 기술이 개발되고 있습니다. 이것은 우리에게 원자의 진정한 시대가 아직 도래하지 않았다고 말할 권리를 줍니다.
