युगानुयुगे अणूसह - भाग 3

थॉमसनच्या "मनुका पुडिंग" पेक्षा रदरफोर्डचे अणूचे ग्रहांचे मॉडेल वास्तवाच्या जवळ होते. तथापि, या संकल्पनेचे आयुष्य केवळ दोन वर्षे टिकले, परंतु उत्तराधिकारीबद्दल बोलण्यापूर्वी, पुढील अणु रहस्ये उलगडण्याची वेळ आली आहे.

1. हायड्रोजन समस्थानिक: स्थिर प्रोट आणि ड्यूटेरियम आणि रेडिओएक्टिव्ह ट्रिटियम (फोटो: ब्रूसब्लॉस/विकिमीडिया कॉमन्स).

आण्विक हिमस्खलन

किरणोत्सर्गीतेच्या घटनेचा शोध, ज्याने अणूचे रहस्य उलगडण्याची सुरुवात केली, सुरुवातीला रसायनशास्त्राचा आधार धोक्यात आला - नियतकालिकाचा नियम. अल्पावधीत, अनेक डझन रेडिओएक्टिव्ह पदार्थ ओळखले गेले. त्यांच्यापैकी काहींचे रासायनिक गुणधर्म भिन्न अणू वस्तुमान असूनही समान होते, तर काहींचे समान वस्तुमान भिन्न गुणधर्म होते. शिवाय, नियतकालिक सारणीच्या ज्या भागात ते त्यांच्या वजनामुळे ठेवायला हवे होते, तिथे त्या सर्वांना सामावून घेण्यासाठी पुरेशी मोकळी जागा नव्हती. आविष्कारांच्या हिमस्खलनामुळे आवर्त सारणी हरवली.

2. जे.जे. थॉम्पसनच्या 1911 मास स्पेक्ट्रोमीटरची प्रतिकृती (फोटो: जेफ डहल/विकिमीडिया कॉमन्स)

अणू केंद्रक

हे 10-100 हजार आहे. संपूर्ण अणूपेक्षा पटीने लहान. जर हायड्रोजन अणूचे केंद्रक 1 सेमी व्यासाच्या बॉलच्या आकारात वाढवायचे असेल आणि फुटबॉलच्या मैदानाच्या मध्यभागी ठेवायचे असेल, तर एक इलेक्ट्रॉन (पिनहेडपेक्षा लहान) गोलच्या जवळपास असेल. (50 मी पेक्षा जास्त).

अणूचे जवळजवळ संपूर्ण वस्तुमान न्यूक्लियसमध्ये केंद्रित असते, उदाहरणार्थ, सोन्यासाठी ते जवळजवळ 99,98% असते. 19,3 टन वजनाच्या या धातूच्या घनाची कल्पना करा. सर्व अणूंचे केंद्रक सोन्याचे एकूण प्रमाण 1/1000 mm3 पेक्षा कमी असते (0,1 mm पेक्षा कमी व्यासाचा चेंडू). म्हणून, अणू भयंकर रिकामा आहे. वाचकांनी बेस मटेरियलची घनता मोजली पाहिजे.

या समस्येचे निराकरण 1910 मध्ये फ्रेडरिक सोडी यांनी शोधून काढले. त्यांनी समस्थानिकांची संकल्पना मांडली, म्हणजे. अणु द्रव्यमानात भिन्न असलेल्या समान घटकाचे प्रकार (1). अशाप्रकारे, त्याने डाल्टनच्या आणखी एका विधानावर प्रश्न विचारला - त्या क्षणापासून, रासायनिक घटक यापुढे समान वस्तुमानाचे अणू बनू नयेत. प्रायोगिक पुष्टीकरणानंतर (मास स्पेक्ट्रोग्राफ, 1911) समस्थानिक गृहीतकेने काही घटकांच्या अणू वस्तुमानांची अंशात्मक मूल्ये स्पष्ट करणे देखील शक्य केले - त्यापैकी बहुतेक अनेक समस्थानिकांचे मिश्रण आहेत आणि अणु वस्तुमान त्या सर्वांच्या वस्तुमानाची भारित सरासरी आहे (2).

कर्नल घटक

रदरफोर्डचे आणखी एक विद्यार्थी, हेन्री मोसेले यांनी 1913 मध्ये ज्ञात घटकांद्वारे उत्सर्जित केलेल्या क्ष-किरणांचा अभ्यास केला. जटिल ऑप्टिकल स्पेक्ट्राच्या विपरीत, क्ष-किरण स्पेक्ट्रम अगदी सोपे आहे - प्रत्येक घटक फक्त दोन तरंगलांबी उत्सर्जित करतो, ज्यातील तरंगलांबी त्याच्या अणू केंद्रकाच्या चार्जशी सहजपणे संबंधित असतात.

3. मोसेले वापरलेल्या एक्स-रे मशीनपैकी एक (फोटो: मॅग्नस मॅनस्के/विकिमिडिया कॉमन्स)

यामुळे प्रथमच विद्यमान घटकांची वास्तविक संख्या सादर करणे शक्य झाले, तसेच नियतकालिक सारणी (3) मधील अंतर भरण्यासाठी त्यापैकी किती अद्याप पुरेसे नाहीत हे निर्धारित करणे शक्य झाले.

पॉझिटिव्ह चार्ज असलेल्या कणाला प्रोटॉन (ग्रीक प्रोटॉन = प्रथम) म्हणतात. लगेच दुसरी समस्या निर्माण झाली. प्रोटॉनचे वस्तुमान अंदाजे 1 युनिट इतके असते. तर अणू केंद्रक 11 युनिट चार्ज असलेल्या सोडियमचे वस्तुमान 23 युनिट्स आहे? अर्थातच इतर घटकांच्या बाबतीतही असेच आहे. याचा अर्थ असा की न्यूक्लियसमध्ये इतर कण असणे आवश्यक आहे आणि चार्ज नसणे आवश्यक आहे. सुरुवातीला, भौतिकशास्त्रज्ञांनी असे गृहीत धरले की हे इलेक्ट्रॉनसह मजबूतपणे बांधलेले प्रोटॉन आहेत, परंतु शेवटी हे सिद्ध झाले की एक नवीन कण दिसू लागला - न्यूट्रॉन (लॅटिन न्यूटर = न्यूट्रल). या प्राथमिक कणाचा शोध (तथाकथित मूलभूत "विटा" जे सर्व पदार्थ बनवतात) 1932 मध्ये इंग्रजी भौतिकशास्त्रज्ञ जेम्स चॅडविक यांनी लावले होते.

प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन एकमेकांमध्ये बदलू शकतात. भौतिकशास्त्रज्ञांचा असा अंदाज आहे की ते न्यूक्लिओन (लॅटिन न्यूक्लियस = न्यूक्लियस) नावाच्या कणाचे स्वरूप आहेत.

हायड्रोजनच्या सर्वात सोप्या समस्थानिकेचे केंद्रक एक प्रोटॉन असल्याने, हे पाहिले जाऊ शकते की विल्यम प्राउट त्याच्या "हायड्रोजन" गृहीतकात अणू बांधकाम तो खूप चुकीचा नव्हता (पहा: “अणूसह युगानुयुगे - भाग 2”; “तरुण तंत्रज्ञ” क्रमांक 8/2015). सुरुवातीला, प्रोटॉन आणि "प्रोटॉन" या नावांमध्ये अगदी चढ-उतार होते.

4. फिनिशवर फोटोसेल - त्यांच्या कामाचा आधार फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव आहे (फोटो: Ies / विकिमीडिया कॉमन्स)

सर्वकाही परवानगी नाही

दिसण्याच्या वेळी रदरफोर्डच्या मॉडेलमध्ये "जन्मजात दोष" होता. मॅक्सवेलच्या इलेक्ट्रोडायनामिक्सच्या नियमांनुसार (त्या वेळी आधीच कार्यरत असलेल्या रेडिओ प्रसारणाद्वारे पुष्टी केली जाते), वर्तुळात फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉनने इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक वेव्हचे विकिरण केले पाहिजे.

अशा प्रकारे, ते ऊर्जा गमावते, परिणामी ते न्यूक्लियसवर पडते. सामान्य परिस्थितीत, अणू विकिरण करत नाहीत (उच्च तापमानाला गरम केल्यावर स्पेक्ट्रा तयार होतो) आणि अणू आपत्तींचे निरीक्षण केले जात नाही (इलेक्ट्रॉनचे अंदाजे आयुष्य सेकंदाच्या दहा लाखव्या भागापेक्षा कमी असते).

रदरफोर्डच्या मॉडेलने कण विखुरण्याच्या प्रयोगाचे परिणाम स्पष्ट केले, परंतु तरीही ते वास्तवाशी जुळले नाही.

1913 मध्ये, लोकांना या वस्तुस्थितीची "सवय झाली" की सूक्ष्म जगामध्ये ऊर्जा कोणत्याही प्रमाणात घेतली जात नाही आणि पाठविली जाते, परंतु काही भागांमध्ये, ज्याला क्वांटा म्हणतात. या आधारावर, मॅक्स प्लँकने तापलेल्या शरीराद्वारे उत्सर्जित होणाऱ्या रेडिएशनच्या स्पेक्ट्राचे स्वरूप स्पष्ट केले (1900), आणि अल्बर्ट आइनस्टाइन (1905) यांनी प्रकाशविद्युत प्रभावाचे रहस्य स्पष्ट केले, म्हणजे, प्रकाशित धातूंद्वारे इलेक्ट्रॉनचे उत्सर्जन (4).

5. टॅंटलम ऑक्साईड क्रिस्टलवरील इलेक्ट्रॉनची विवर्तन प्रतिमा तिची सममितीय रचना दर्शवते (फोटो: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 वर्षीय डॅनिश भौतिकशास्त्रज्ञ नील्स बोहर यांनी रदरफोर्डच्या अणू मॉडेलमध्ये सुधारणा केली. त्याने सुचवले की इलेक्ट्रॉन केवळ विशिष्ट ऊर्जा परिस्थिती पूर्ण करणार्या कक्षांमध्ये फिरतात. याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रॉन हलवताना किरणोत्सर्ग उत्सर्जित करत नाहीत आणि उर्जा केवळ कक्षामध्ये बंद केल्यावरच शोषली जाते आणि उत्सर्जित होते. गृहितकांनी शास्त्रीय भौतिकशास्त्राचा विरोध केला, परंतु त्यांच्या आधारे (हायड्रोजन अणूचा आकार आणि त्याच्या स्पेक्ट्रमच्या रेषांची लांबी) प्राप्त झालेले परिणाम प्रयोगाशी सुसंगत असल्याचे दिसून आले. नवजात मॉडेल atomu.

दुर्दैवाने, परिणाम केवळ हायड्रोजन अणूसाठी वैध होते (परंतु सर्व वर्णक्रमीय निरीक्षणांचे स्पष्टीकरण दिले नाही). इतर घटकांसाठी, गणना परिणाम वास्तविकतेशी संबंधित नाहीत. अशा प्रकारे, भौतिकशास्त्रज्ञांकडे अद्याप अणूचे सैद्धांतिक मॉडेल नव्हते.

अकरा वर्षांनंतर रहस्ये उलगडू लागली. फ्रेंच भौतिकशास्त्रज्ञ लुडविक डी ब्रॉग्लीच्या डॉक्टरेट प्रबंधात भौतिक कणांच्या लहरी गुणधर्मांवर चर्चा केली गेली. हे आधीच सिद्ध झाले आहे की प्रकाश, लहरी (विवर्तन, अपवर्तन) च्या विशिष्ट वैशिष्ट्यांव्यतिरिक्त, कण - फोटॉन (उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रॉनसह लवचिक टक्कर) च्या संग्रहाप्रमाणे देखील वागतो. पण वस्तुमान वस्तू? भौतिकशास्त्रज्ञ बनू इच्छिणाऱ्या राजपुत्रासाठी ही सूचना स्वप्नवत वाटली. तथापि, 1927 मध्ये एक प्रयोग केला गेला ज्याने डी ब्रॉग्लीच्या गृहीतकाची पुष्टी केली - इलेक्ट्रॉन बीम धातूच्या क्रिस्टलवर विभक्त झाला (5).

अणू कुठून आले?

इतर सर्वांप्रमाणे: बिग बँग. भौतिकशास्त्रज्ञांचा असा विश्वास आहे की शब्दशः "शून्य बिंदू" पासून प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन, म्हणजे घटक अणू, एका सेकंदाच्या अंशात तयार झाले. काही मिनिटांनंतर (जेव्हा विश्व थंड झाले आणि पदार्थाची घनता कमी झाली), न्यूक्लिओन्स एकत्र विलीन झाले आणि हायड्रोजन व्यतिरिक्त इतर घटकांचे केंद्रक तयार झाले. हीलियमची सर्वात मोठी मात्रा तयार झाली, तसेच खालील तीन घटकांचे ट्रेस. केवळ 100 XNUMX नंतर, बर्याच वर्षांपासून, परिस्थितींनी इलेक्ट्रॉनांना केंद्रकांशी जोडण्याची परवानगी दिली - प्रथम अणू तयार झाले. पुढच्यासाठी मला बराच वेळ वाट पाहावी लागली. घनतेतील यादृच्छिक चढउतारांमुळे घनतेची निर्मिती झाली, जी जसजशी दिसली, तसतसे अधिकाधिक पदार्थ आकर्षित झाले. लवकरच, विश्वाच्या अंधारात, पहिले तारे भडकले.

सुमारे एक अब्ज वर्षांनंतर, त्यापैकी काही मरण्यास सुरुवात झाली. त्यांच्या अभ्यासक्रमात त्यांनी उत्पादन केले अणूंचे केंद्रक लोखंडापर्यंत. आता, जेव्हा ते मरण पावले, तेव्हा त्यांनी ते सर्व प्रदेशात पसरवले आणि राखेतून नवीन तारे जन्माला आले. त्यापैकी सर्वात मोठ्याचा शेवट नेत्रदीपक होता. सुपरनोव्हा स्फोटांदरम्यान, केंद्रकांवर इतक्या कणांचा भडिमार झाला की अगदी जड घटकही तयार झाले. त्यांनी नवीन तारे, ग्रह आणि काही ग्लोबवर - जीवन तयार केले.

पदार्थ लहरींचे अस्तित्व सिद्ध झाले आहे. दुसरीकडे, अणूमधील इलेक्ट्रॉनला एक स्थिर लहर मानले जाते, ज्यामुळे ते ऊर्जा विकिरण करत नाही. इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप तयार करण्यासाठी हलत्या इलेक्ट्रॉनच्या तरंग गुणधर्मांचा वापर केला गेला, ज्यामुळे प्रथमच अणू पाहणे शक्य झाले (6). त्यानंतरच्या वर्षांमध्ये, वर्नर हायझेनबर्ग आणि एरविन श्रोडिंगर (डी ब्रोग्लीच्या गृहितकाच्या आधारे) यांच्या कार्यामुळे पूर्णपणे अनुभवावर आधारित अणूच्या इलेक्ट्रॉन शेलचे नवीन मॉडेल विकसित करणे शक्य झाले. पण हे लेखाच्या व्याप्तीबाहेरचे प्रश्न आहेत.

किमयागारांचे स्वप्न साकार झाले

नैसर्गिक किरणोत्सर्गी परिवर्तने, ज्यामध्ये नवीन घटक तयार होतात, हे 1919 व्या शतकाच्या अखेरीपासून ज्ञात आहे. XNUMX मध्ये, असे काहीतरी जे आतापर्यंत फक्त निसर्ग सक्षम आहे. अर्नेस्ट रदरफोर्ड या काळात पदार्थ आणि कणांच्या परस्परसंवादात गुंतले होते. चाचण्यांदरम्यान, त्याच्या लक्षात आले की नायट्रोजन वायूसह विकिरण झाल्यामुळे प्रोटॉन दिसू लागले.

या घटनेचे एकमेव स्पष्टीकरण हेलियम न्यूक्ली (एक कण आणि या घटकाच्या समस्थानिकेचे केंद्रक) आणि नायट्रोजन (7) यांच्यातील प्रतिक्रिया होते. परिणामी, ऑक्सिजन आणि हायड्रोजन तयार होतात (एक प्रोटॉन हा सर्वात हलका समस्थानिकाचा केंद्रक असतो). परिवर्तनाचे किमयागारांचे स्वप्न साकार झाले आहे. पुढील दशकांमध्ये, निसर्गात न सापडणारे घटक निर्माण झाले.

अ-कण उत्सर्जित करणारी नैसर्गिक किरणोत्सारी तयारी यापुढे या उद्देशासाठी योग्य नव्हती (जड केंद्रकांचा कौलॉम्ब अडथळा हलका कण त्यांच्या जवळ येण्यासाठी खूप मोठा आहे). प्रवेगक, जड समस्थानिकांच्या केंद्रकांना प्रचंड ऊर्जा प्रदान करणारे, "अल्केमिकल फर्नेस" बनले, ज्यामध्ये आजच्या रसायनशास्त्रज्ञांच्या पूर्वजांनी "धातूंचा राजा" (8) मिळविण्याचा प्रयत्न केला.

वास्तविक, सोन्याचे काय? किमयाशास्त्रज्ञ बहुतेक वेळा पारा त्याच्या उत्पादनासाठी कच्चा माल म्हणून वापरतात. हे मान्य केलेच पाहिजे की या प्रकरणात त्यांना वास्तविक "नाक" होते. अणुभट्टीतील न्यूट्रॉनच्या सहाय्याने पारा उपचार करून प्रथम कृत्रिम सोने मिळवले गेले. 1955 मध्ये जिनिव्हा अणु परिषदेत धातूचा तुकडा दाखवण्यात आला होता.

अंजीर. 6. सोन्याच्या पृष्ठभागावरील अणू, स्कॅनिंग टनलिंग मायक्रोस्कोपमधील प्रतिमेमध्ये दृश्यमान.

7. घटकांच्या पहिल्या मानवी परिवर्तनाची योजना

भौतिकशास्त्रज्ञांच्या कर्तृत्वाच्या बातमीने जागतिक स्टॉक एक्सचेंजमध्ये एक छोटासा खळबळ उडवून दिला, परंतु अशा प्रकारे उत्खनन केलेल्या धातूच्या किंमतीबद्दलच्या माहितीद्वारे खळबळजनक प्रेस अहवालांचे खंडन केले गेले - ते नैसर्गिक सोन्यापेक्षा कितीतरी पटीने महाग आहे. अणुभट्ट्या मौल्यवान धातूच्या खाणीची जागा घेणार नाहीत. परंतु त्यांच्यामध्ये तयार होणारे समस्थानिक आणि कृत्रिम घटक (औषध, ऊर्जा, वैज्ञानिक संशोधनासाठी) सोन्यापेक्षा जास्त मौल्यवान आहेत.

8. नियतकालिक सारणीतील युरेनियम नंतर पहिल्या काही घटकांचे संश्लेषण करणारे ऐतिहासिक सायक्लोट्रॉन (लॉरेन्स रेडिएशन लॅबोरेटरी, कॅलिफोर्निया विद्यापीठ, बर्कले, ऑगस्ट 1939)

ज्या वाचकांना मजकूरात मांडलेले मुद्दे एक्सप्लोर करायचे आहेत त्यांच्यासाठी मी श्री. टॉमाझ सोविन्स्की यांच्या लेखांच्या मालिकेची शिफारस करतो. 2006-2010 मध्ये "यंग टेक्निक्स" मध्ये दिसले ("त्यांनी कसे शोधले" या शीर्षकाखाली). मजकूर लेखकाच्या वेबसाइटवर देखील उपलब्ध आहेत: .

सायकल "युगानुयुगे अणूसह» गेल्या शतकाला अनेकदा अणूचे युग म्हटले जाते याची आठवण करून देऊन त्याने सुरुवात केली. अर्थात, पदार्थाच्या संरचनेत XNUMXव्या शतकातील भौतिकशास्त्रज्ञ आणि रसायनशास्त्रज्ञांच्या मूलभूत कामगिरीची नोंद घेण्यात अयशस्वी होऊ शकत नाही. तथापि, अलिकडच्या वर्षांत, सूक्ष्म जगाबद्दलचे ज्ञान वेगाने आणि वेगाने विस्तारत आहे, तंत्रज्ञान विकसित केले जात आहे जे वैयक्तिक अणू आणि रेणू हाताळण्यास परवानगी देतात. हे आपल्याला म्हणण्याचा अधिकार देते की अणूचे खरे वय अद्याप आलेले नाही.