Текст книги "Масса атомов. Дальтон. Атомная теория"
Автор книги: Enrique Alvarez
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 8 страниц)
Периодическая таблица
Знаменитая периодическая таблица 1869 года основана на постоянных химических свойствах элементов, от самого легкого (водород) до самого тяжелого (уран). При разработке таблицы стало ясно, что некоторые элементы, которые должны существовать, еще не открыты. Менделеев обозначил их приставками «эка», «дви», «три» по расстоянию от последнего известного элемента в их группе. По этой схеме германий назывался экакремнием до его открытия в 1886 году, а рений – дви-марганцем до 1926 года. Самыми известными были эка-бор (скандий), эка-алюминий (галлий), эка-марганец (технеций) и уже упомянутый германий.
Согласно современным определениям, мы можем их классифицировать следующим образом: щелочи, щелочноземельные металлы, металлы, включая лантаноиды и актиноиды, переходные металлы, полуметаллы, неметаллы, галогены и инертные газы. Так, гелий, неон и аргон – инертные газы, поэтому расположены в одной вертикальной колонке, тогда как по горизонтали они были расположены в порядке возрастания атомной массы (то, что это сумма протонов и нейтронов ядра атома, еще не было открыто).
Когда Менделеев работал над своей таблицей, было известно 63 элемента. Ученый оставил пустыми многие ячейки, чтобы когда-нибудь вписать в них еще не открытые элементы, которые "должны существовать". Такой важный элемент, как гелий, был открыт только в 1895 году, но о его существовании было известно и раньше благодаря методу спектроскопии: во время солнечного затмения 1868 года француз Пьер Жансен заметил яркую желтую линию и предположил, что она соответствует новому элементу, который был назван гелием (от Гелиоса – бога Солнца). Сегодня общее число элементов составляет 118, хотя последние из них являются синтезированными, начиная с элемента 104, названного резерфордием. Три последних элемента – ливерморий (116), унисептий (117) и унуноктий (118), предположительно инертный газ с атомной массой 294. С 2002 года было получено всего четыре атома этого элемента.
Таким образом, все вещества найдены. Или почти все. Признанные физико-химические лаборатории не прекращают поиск, поскольку никто не знает, где лежит предел.
РАДИОАКТИВНОСТЬ
На пороге XX века произошло самое удивительное событие, связанное с атомами. Состоялось оно в Париже в 1896 году: Анри Беккерель (1852-1908) случайно открыл радиоактивность. Он поместил соль урана на фотографическую пластину, завернутую в бумагу, и увидел, что та почернела, словно подверглась воздействию солнечного света. За это случайное открытие в 1903 году он был удостоен Нобелевской премии по физике вместе с четой Кюри. Беккерель разделил открытие со своей юной польской ученицей Марией Кюри (1867-1934), которая вместе с мужем Пьером показала, что это явление наблюдается и в других веществах, содержащих уран или торий, а также в двух других открытых ею элементах – полонии и радии. Мария Кюри обнаружила, что эти руды и их составляющие постоянно высвобождают огромное количество энергии, не меняя заметным образом ни размера, ни массы. Кюри не знала (это откроет Эйнштейн несколькими годами позже), что масса превращается в энергию. Открытие естественной радиоактивности опровергло один из главных постулатов Дальтона, утверждавшего, что атомы неизменны. Нет, они меняются, по крайней мере некоторые из них.
ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Открытие естественной радиоактивности восходит к 1896 году, когда Анри Беккерель выявил, что соли урана, а именно K2UO(SO4)2, оставляют следы на фотографических пластинах. Он предположил, что излучение, похожее на излучение Х-лучей, открытых Рентгеном, происходит от этих солей. Беккерель предложил своим коллегам изучить необычное явление. Пьер и Мария Кюри открыли, что уран – не единственный элемент, обладающий радиоактивными свойствами. Им удалось выделить из уранинита вещества с подобными свойствами – торий, полоний и, наконец, радий. Изотопы этих элементов неустойчивы и испускают альфа-частицы, или ядра гелия, как открыл позже Эрнест Резерфорд. Самый распространенный и самый неустойчивый элемент – ураний-238 – самопроизвольно испускает альфа-частицы, пока не стабилизируется, перейдя в свинец-206. Он проходит через несколько промежуточных состояний и через несколько веществ (количеством до 18); этот процесс называется цепочкой мерного распада.
Процесс распада
Спустя несколько лет было открыто, что другой изотоп, U-235, может распадаться на две или три части под действием тепловых нейтронов, которые производят большое количество энергии. Эго открытие легло в основу разработки ядерных реакторов и бомб. В качестве примера ядерного превращения мы можем привести изотоп U-238. При поглощении нейтрона (U-239) он испускает бета-излучение и образует Np-239 и Pu-239. Последний содержался в первой атомной бомбе, испытанной в штате Нью-Мексико в 1945 году. Естественная, а позднее и искусственная радиоактивность, полученная в результате бомбардировки атомных ядер нейтронами или ядрами гелия, представляет собой исключение из правила неделимости и неизменности атомов, провозглашенного Дальтоном.
ЭРНЕСТ РЕЗЕРФОРД
Этот сын столяра и английской учительницы с юности поражал блестящими успехами в науках, с одной стороны, и физической силой – с другой. Резерфорд решил побороться за единственную стипендию, которая в то время предоставлялась для изучения математики. Оказавшись в Великобритании, он продолжил занятия в лаборатории Кавендиша в Кембридже вместе с наставником Джозефом Томсоном, который открыл электрон. Через три года Резерфорд получил кафедру в Мак– Гиллском университете Монреаля, в Канаде. Там он сконцентрировал исследования на радиоактивности Беккереля и Кюри и обнаружил два типа радиации – обладающие менее и более проникающей способностью (альфа– и бета– соответственно). Вместе со своим учеником, юным химиком Фредериком Содди (1877-1956), он выяснил, что радиация урана и тория сопровождается распадом атома. Это открытие взволновало все научное сообщество: атомы могут делиться! Резерфорд установил, что во время ядерного распада выделяется примерно в 100 тысяч раз больше тепловой энергии, чем при соответствующей химической реакции. Он заявил, что Солнце – это ядерная печь.
Возвращение в Великобританию
В 1907 году ученый вернулся в Великобританию, в Манчестер, где работал вместе в Гансом Гейгером (и стал членом Lit & Phil). Вместе с Гейгером они изобрели счетчик альфа-частиц, который позволил установить число Авогадро. В 1908 году Резерфорд уже знал, что альфа-частицы являются ядрами гелия, и осуществил бомбардировку этими ядрами листа золотой фольги. Некоторые частицы отклонились от предполагаемой траектории более чем на 90 градусов. Так ученый нашел атомное ядро. В результате бомбардировки атомов азота он открыл протон. По возвращении в Кембридж, где Резерфорд занял место своего бывшего учителя Томсона, он руководил работами Чедвика, открывшего нейтрон, Нильса Бора и Роберта Оппенгеймера. Резерфорд был учителем девяти нобелевских лауреатов и получил бесконечное количество наград, среди которых – первая в истории Нобелевская премия по химии 1908 года. Он похоронен рядом с Исааком Ньютоном и лордом Кельвином в Вестминстерском аббатстве.
Открытие супругов Кюри вызвало любопытство других ученых, и самым гениальным среди них был Эрнест Резерфорд, родившийся в Новой Зеландии, но очень скоро перебравшийся в Кембридж. Он работал в знаменитой лаборатории Кавендиша с 1895 годавместес Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940), которому мы обязаны открытием электрона. Резерфорд получил известность благодаря изучению Х-лучей, или ионизированных лучей, открытых в 1895 году физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном при помощи трубки Крукса, а с помощью этих лучей практически сразу же был открыт электрон. Также он изучал влияние рентгеновских лучей на газы: Резерфорд и Томсон открыли, что эти лучи можно ионизировать, испуская положительные и отрицательные частицы, которые соединяются в нейтральный атом. Кафедра в университете Монреаля была предложена Резерфорду, когда ему было всего 27 лет (1898). В Канаде он познакомился с Фредериком Содди, и вместе ученые доказали, что радиоактивные элементы, каталогизированные Пьером и Марией Кюри, способны трансформироваться, испуская при этом разное излучение. Атом урана мог превращаться в атом свинца или родия, который мог произвести атом гелия. Так физика опровергла еще один постулат Джона Дальтона: некоторые атомы способны к трансформации. Другими словами, алхимия была не такой уж и химерой. Однако эти алхимические превращения были опасны для тех, кто ими занимался. Губительное воздействие радиации на человеческий организм теперь известно. Мария Кюри умерла от лейкемии в 1934 году, через три года после того, как подверглась большим дозам облучения. Радиация сохраняется так долго, что личные вещи, книги и документы Пьера и Марии Кюри все еще хранятся в свинцовых ящиках.
ПЕРВАЯ СУБАТОМНАЯ ЧАСТИЦА
Менделеев открыл периодичность атомных элементов, основываясь на их сходстве, но он не знал причин этого сходства. Ученый классифицировал элементы просто на основе их подобия. Чтобы объяснить это явление, одной химии было недостаточно, нужно было обратиться к физике, а конкретнее – к электричеству, которое оставалось таинственной областью.
Начало исследованиям в этой области положил современник Дальтона Майкл Фарадей, драгоценный ассистент сэра Гемфри Дэви, который после смерти последнего занял его пост в Лондонском королевском обществе. Несмотря на то что Фарадей был не очень силен в математике, он обладал огромной фантазией и легко придумывал невероятные опыты. Например, он решил пропустить электрический заряд через пустоту и посмотреть, что произойдет. Но ничего не произошло, поскольку его пустой сосуд был недостаточно хорош, в отличие от сосуда немецкого физика Генриха Гейсслера (1814-1879), который в 1854 году обнаружил любопытную зеленую вспышку в положительном электроде, или аноде. Поскольку сосуд был пуст, с отрицательным анодом, или катодом, тоже должно было что-то происходить. Чуть позже, в 1876 году, немец Ойген Гольдштейн предположил, что это взаимодействие, происходящее между отдаленными друг от друга электродами, есть не что иное, как "излучение катодных лучей".
У этой тайны было два возможных объяснения. Первое заключалось в том, что это излучение было простым электромагнитным излучением, а второе, предложенное англичанином Уильямом Круксом (1832-1919), состояло в том, что излучение связано с потоком невидимых частиц. Крукс поднес к сосуду магнит, и... катодные лучи отклонились в сторону. Для окончательной разгадки тайны катодных лучей надо было дождаться 1897 года, когда уже упоминавшийся Джозеф Джон Томсон доказал, что лучи отклоняются не только в магнитном, но и в электрическом поле. В то время из заряженных частиц были известны только ионизированные газы Резерфорда. Но если катодные лучи были ионами, они должны были быть очень легкими, примерно в тысячу раз легче атома водорода, или должны были обладать значительным зарядом. Первое объяснение соответствовало другим опытам с электричеством: электрический ток – это движение крошечных частиц, электронов. Томсон показал также, что отрицательно заряженные частицы, испускаемые металлическими пластинами при высоком облучении (знаменитый фотоэлектрический эффект, который будет объяснен в знаменательном для Эйнштейна 1905 году), идентичны катодным лучам.
ЭЛЕКТРОН
Электрон был первой открытой частицей атома, это произошло во время опытов с использованием трубок с катодными лучами. Трубки запаивались, а затем между двумя электродами внутри них пропускали ток высокого напряжения. Джозеф Джон Томсон в 1897 году установил, что от электрического заряда на стенках сосуда за катодом образуются вспышки. Он предположил, что дело в испускаемых катодом лучах (откуда и название – катодные). Однако он увидел, что в отличие от обычного электромагнитного излучения лучи распространялись по прямой линии, даже если отклонялись от магнитного или электрического поля. То есть лучи имеют электрический заряд, массу и универсальные частицы, поведение которых не меняется даже при изменении газа или типа электрода. Томсон рассчитал, что масса этих новых «частиц» равна 1/1000 массы атома водорода, и сделал вывод, что они скорее всего являются частью этого атома. Чтобы объяснить нейтральный заряд атома, он предположил, что частицы – позднее названные электронами по предложению Джорджа Стони в 1894 году – плавают в непрерывной положительно заряженной среде атома. Это была первая модель, в которой неделимый атом Джона Дальтона делился.
Опыт Томсона с катодной трубкой.
Это поведение электронов привело к выводу, что они на самом деле являются частью атома, что масса электрона составляет 1/1837 массы атома водорода и что раз электроны не могут с легкостью отсоединяться от атомов – под воздействием электрического поля или других значительных энергий, – то логично предположить, что они находятся снаружи атома. Все сходилось. Если атом нейтрален, но на его периферии находится отрицательный заряд, то для равновесия внутри должен находиться положительный. Это также объясняло некоторые загадки периодической таблицы, особенно классификацию элементов по свойствам и способности образовывать соединения с другими элементами. Электрический заряд объяснял и тот факт, что атомы обязаны своим атомным числом количеству электронов в основном состоянии. Все эти открытия были отмечены нобелевскими премиями. Чтобы не утомлять читателя, скажем только, что в 1906 году Нобелевскую премию по физике получил Томсон за открытие электрона, а в 1921-м ее получил Эйнштейн за обоснование фотоэлектрического эффекта (а вовсе не за теорию относительности, как многие думают).
Открытие электрона и определение его как составляющей частицы атома к 1900 году стало еще одним ударом, который перенесла теория Дальтона. Речь уже не просто шла о способности некоторых тяжелых атомов излучать радиоактивность и превращаться в более легкие элементы. Все без исключения атомы образованы из более мелких частиц. То есть атомы делимы. Но атомные идеи Дальтона, разработанные 100 лет назад, оставались справедливыми для огромного количества химических реакций.
Первая атомная модель была предложена Томсоном. Он представлял атом в виде пудинга (или булочки с изюмом): основа состоит из большого положительного заряда, а сверху разбросаны отрицательно заряженные электроны (см. рисунок).
В этой модели на периферии положительно заряженного атома равномерно распределены электроны, в результате чего заряды уравновешиваются.
Модель Томсона (1904): отрицательно заряженные электроны равномерно распределены в положительно заряженной оболочке атома. Результирующий заряд – нейтральный.
ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ЧАСТИЦА
Упрощенная модель повлекла за собой несколько проблем. Первая заключалась в том, что эта модель не объясняла радиоактивности. Резерфорд показал, что тяжелые элементы Беккереля и супругов Кюри излучают три вида радиоактивных лучей. Для простоты он назвал их альфа, бета и гамма. Резерфорд также показал, что электроны – это бета-частицы. До сих пор все было понятно, но таинственные альфа-частицы тоже взаимодействовали электрически, хотя и противоположным образом по сравнению с бета-частицами. Соответственно, их заряд должен быть положительным. Кроме того, они значительно меньше отклонялись, а значит, должны быть гораздо более тяжелыми, нежели электроны. Резерфорд рассчитал, что масса альфа-частиц в четыре раза больше массы атома водорода.
Чтобы покончить с путаницей, в 1908 году Резерфорд отделил альфа-частицы, поместив радиоактивный материал в стеклянную трубку, в которой находилась другая, более тонкая трубка. Первый барьер преодолевали только альфа-частицы. Отделив их, он выяснил их электрический заряд. Так появились спектральные линии гелия. Резерфорд знал, что один из загадочных видов радиоактивности образован положительными частицами гелия (второго элемента периодической таблицы), испускаемыми из его атомного ядра.
В том же 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии, однако остался неудовлетворен – не самой премией, а областью, в которой она была вручена. Самый важный свой опыт ученый провел между 1910 и 1911 годами. Вместе со своим немецким ассистентом Гансом Гейгером, более известным как изобретатель счетчика радиоактивных частиц, он пропустил ионизированные атомы гелия – альфа-частицы – через лист золотой фольги. К огромному удивлению исследователей – и к удивлению всего человечества, – некоторые частицы отскакивали обратно: можно сказать, что ученые обстреливали тонкий лист бумаги, но сквозь него проходили далеко не все пули. Вывод: атом практически пуст, но в центре него содержится очень плотное ядро.
Историки приписывают Резерфорду также открытие в 1918 году протона ("первый") – позитивно заряженной субатомной частицы. Хотя, наверное, следовало бы присвоить славу ее открытия (хотя бы частично) немецкому физику Ойгену Гольдштейну (1850-1930). В 1886 году Гольдштейн осуществил похожий на эксперимент Томсона опыт с перфорированным катодом и выделил частицу, масса которой была сходна с массой атома водорода, но позитивно заряженную. Он принял эту частицу за простой ион.
Резерфорд повторил опыт, бомбардируя атомы азота альфа-частицами, и обнаружил сверкание, которое мог производить только азот. Эта реакция стала первым превращением, осуществленным искусственно, в отличие от естественной радиации. Мы можем представить ее сегодня как физическую реакцию со следующей формулой:
4He + 14N → 17O + 1Н,
в которой величины соответствуют атомной массе. Слева направо ядро гелия (2 протона и 2 нейтрона) взаимодействует с ядром водорода (7 протонов и 7 нейтронов), и образуются ядро кислорода-17 (изотоп с 8 протонами, но 9 нейтронами) и ядро водорода (1 протон). Наверное, это была первая алхимическая реакция в истории.
ЧАСТИЦА БЕЗ ЗАРЯДА
Модель атома Резерфорда (см. рисунок на странице 134) с электронами на периферии и протонами, содержащимися в плотном ядре, превратилась для физиков в неразрешимую проблему.
ПРОТОН
Протон был выделен в 1920 году Эрнестом Резерфордом во время изучения ядер гелия, раньше называвшихся альфа-частицами и излучаемых при естественной радиоактивности. На самом деле Резерфорд выделил ядро водорода, самый распространенный в природе изотоп которого состоит из одного протона. Во время этого опыта Резерфорд осуществил первую в истории атомную реакцию, превратив атомы азота в кислород. В продукте реакции Резерфорд выделил ядро водорода и предположил, как и задолго до него английский химик Уильям Прут (1785-1850), что водород может быть основным элементом, или частицей, образующей другие атомы. Даже если на самом деле это не совсем так, факт заключается в том, что Резерфорд предложил называть его протоном по двум причинам: во-первых, он заимствовал греческое слово, означающее «первый», во-вторых, это название напоминало о фамилии Прута.
Перво· атомное превращение в истории заключалось в превращении атома азота в кислород в следующей реакции:
4He + 14N → 17O + 1Н.
Она противоречила законам электромагнетизма, описанным Джеймсом Клерком Максвеллом, хотя эти законы были доказаны многочисленными опытами. По Максвеллу, электрический заряд в движении – в нашем случае электрон – должен постоянно излучать энергию. И со временем из-за потери этой энергии он должен упасть на ядро, и тогда атом коллапсирует. Кроме того, протоны с одинаковым положительным зарядом должны отталкиваться друг от друга, а не оставаться в маленьком пространстве в центре атома.
Появилась главная проблема: микроскопический мир вел себя не так, как макроскопический. Резерфорд долгие годы размышлял над этим вопросом и в итоге пришел к гипотезе, что положительный заряд протона должен быть компенсирован, или, скорее, нейтрализован, другими частицами. Когда мы описывали получение протона из азота, мы уже использовали понятие нейтрона.
Один из учеников Резерфорда, английский физик Джеймс Чедвик, попытался найти нейтроны, и это ему удалось сделать в 1932 году, после 11 лет исследований. В результате нейтрон стал главным инструментом при ядерном делении, или распаде, поскольку он лишен электрического заряда, следовательно никак себя не проявляет, пока не проникнет в атомы более тяжелых элементов. Лауреат Нобелевской премии по физике 1935 года Чедвик против своей воли проложил дорогу к атомной бомбе.
Схема модели Резерфорда (1911).
