Atomas

Atomo fizika
Atomo sandara. Rezerfordo bandymai

TOMSONO MODELIS. Ne iš karto mokslininkai teisingai įsivaizdavo atomo sandarą. Pirmą atomo modelį pasiūlė anglų fizikas Dž. Tomsonas, atradęs elektroną. Tomsono supratimu, teigiamas atomo krūvis užima visą atomą ir pasiskirstęs jame vienodu tankiu. Paprasčiausias atomas – vandenilio atomas – tai teigiamai elektringas apie 10-8 cm spindulio rutulys, kurio viduje yra elektronas. Sudėtingesnių atomų teigiamai elektringame rutulyje yra keletas elektronų.

Tačiau Tomsono modelis visiškai prieštaravo bandymų, kuriais tyrinėtas teigiamo krūvio pasiskirstymas atome, duomenims. Šiuos bandymus pirmą kartą atliko didysis anglų fiizikas Ernestas Rezerfordas.
Rezerfordo bandymai

Rezerfordas tyrinėjo, kaip pasiskirstęs teigiamasis krūvis, taigi ir masė atomo viduje. 1906 m. jis pasiūlė zonduoti atomą α dalelėmis. Šitos dalelės atsiranda skylant radžiui ir kai kuriems kitiems elementams. Jų masė apytiksliai 8000 kartų didesnė už elektrono masę, o teigiamas krūvis lygus dvigubam elektrono krūvio moduliui. Tai ne kas kita, kaip visiškai jonizuoti helio atomai. α dalelių greitis labai didelis: jis lygus maždaug šviesos greičio.

Šiomis dalelėmis Rezerfordas apšaudė sunkiųjų elementų atomus. Mažos masės elektronai negali pastebimai pakeisti α dalelės trajektorijos, panašiai kaaip kelių dešimčių gramų akmenėlis, atsimušęs į automobilį negali pakeisti jo greičio.
Išsklaidyti α daleles (pakeisti jų kryptį) gali tik teigiamai elektringa atomo dalis. Taigi iš α dalelių išsklaidymo galima nustatyti, kaip atome pasiskirstęs teigiamas krūvis ir masė. Rezerfordo bandymų schema pavaizduota šiame paveikslėlyje: Iš

šilgai švininio ritinio R išgręžtas siauras kanalas. Jame padėtas radioaktyvusis preparatas, pavyzdžiui radis. Iš kanalo sklindantis α dalelių pluoštas krisdavo į tiriamos medžiagos (aukso, ir kt.) foliją F.

Išsklaidytos α dalelės patekdavo į pusskaidrį ekraną E, padengtą cinko sulfidu. α dalelei susidūrus su ekranu, blykstelėdavo šviesa (scintiliacija). Ją buvo galima matyti pro mikroskopą M. Visas prietaisas buvo įdedamas į indą, iš kurio išsiurbtas oras.
Kai prietaise oras būdavo pakankamai išretintas ir išimta folija, ekrane pasirodydavo šviesus skritulėlis, sudarytas iš scintiliacijų, kurias sukeldavo plonas α dalelių pluoštas. Tačiau, pluošto kelyje padėjus foliją, išsklaidytos α dalelės pasiskirstydavo ekrano plote.
Modifikuodamas eksperimentinį įrenginį, Rezerfordas mėgino užfiksuoti α dalelių nukrypimą dideliais kampais. Visiškai netikėtai paaiškėjo, kad nedidelis α dalelių skaičius (apytiksliai viena iš dviejų tūkstančių) nukrypdavo didesniu negu 90° kampu. Vėliau Rezerfordas prisipažino, kad, pasiūlydamas savo mokiniams stebėti α dalelių išsklaidymą dideliais kampais, jis netikėjo teigiamu rezultatu. ”Tai beveik taip pat netikėta, – kalbėjo rezerfordas, – kaip ir tai, kad į plono popieriaus skiautelę iššautas 15 colių sviedinys sugrįžtų ir smogtų jums.”
Iš tikrųjų numatyti šitą rezultatą, tikint, kad teigiamas krūvis pasiskirstęs visame atome , nebuvo galima. Šitaip pasiskirsčiusio teigiamo krūvio elektrinis laukas nėra toks stiprus, kad pajėgtų atblokšti α dalelę. Didžiausia stūmos jėga apskaičiuojama pagal Kulono dėsnį:
Atomo branduolio matmenų nustatymas.
Rezerfordas suprato, kad α dalelė gali būti atblokšta tik tada, kai teigiamas atomo krūvis ir jo masė su

ukoncentruoti labai mažoje erdvės srityje. Šitaip Rezerfordas priejo prie atomo branduolio – mažo kūno, kuriame sukoncentruota beveik visa atomo masė ir visas jo teigiamas krūvis – egzistavimo idėjos.

Suskaičiuodamas išsklaidytas skirtingais kampais α daleles, Rezerfordas galėjo įvertinti branduolio dydį. Pasirodo, kad branduolys turi maždaug 10-12 –
10-13 cm skersmenį (įvairių branduolių skersmenys skirtingi). Paties atomo matmenys lygūs 10-8 cm t.y. 10 – 100 tūkstančių kartų didesni už branduolio matmenis. Vėliau pasisekė nustatyti ir branduolio krūvė. Kai elektrono krūvis laikomas vienetu, branduolio krūvis tiksliai lygus atitinkamo cheminio elemento eilės numeriui Mendelejevo lentelėje.

Planetinis atomo modelis
Rezerfordo bandymai tiesiogiai patvirtina planetinį atomo modelį. Atomo centre yra teigiamai elektringas branduolys, kuriame sutelkta beveik visa atomo masė. Atomas neutralus. Todėl jo elektronų skaičius, kaip ir branduolio krūvis, lygus elemento eilės numeriui periodinėje sistemoje. Aišku, kad elektronai turi judėti, kitaip jie nukristų ant branduolio. Jie skrieja aplink branduolį kaip planetos aplink Saulę, todėl, kad branduolys juos veikia Kulono jėga.
Vandenilio atome aplink branduolį skrieja tik vienas elektronas. Vandenilio atomo branduolys turi teigiamą krūvį, kuris lygus elektrono krūvio medeliui, ir masę, maždaug 1836,1 karto didesnę už elektrono masę. Šitas branduolys buvo pavadintas protonu ir pradėtas laikyti elementariaja dalele. Atomo dydis – tai jo elektrono orbitos spindulio ilgis(pav.).
Šis modelis paaiškina α dalelių išsklaidymo bandymą. Tačiau jis negali paaiškinti atomo egzistavimo, jo pastovumo. Juk elektronai ju

uda orbitomis su pagreičiais, beje, gana dideliais. Pagal Maksvelio elektrodinamikos dėsnius su pagreičiu judąs kūnas turi skleisti elektromagnetines bangas, kurių dažnis
lygus apsisukimų aplink branduolį per 1 s skaičiui. Spinduliuodamas elektronas netenka energijos ir turi priartėti prie branduolio, panašiai kaip palydovas priartėja prie Žemės dėl trinties į viršutinius žemės sluoksnius.
Kaip rodo tiksliausi apskaičiavimai, kurie remiasi Niutono mechanika ir Maksvelio elektrodinamika, per nepaprastai trumpą laiką (maždaug 10-8s) elektronas turėtų nukristi ant branduolio. Tada atomas nustotų egzistavęs.
Iš tikrųjų nieko panašaus nevyksta. Atomai yra pastovūs ir nesužadinti gali egzistuoti neribotai ilgai, visiškai neskleisdami elektromagnetinių bangų.
Taikydami klasikinės fizikos dėsnius atome vykstantiems reiškiniams aiškinti, gauname neatitinkančią tikrovės išvadą: dėl energijos išspinduliavimo atomas greitai nustos egzistavęs. Iš to matome, kad atominių mastų reiškiniams aiškinti klasikinės fizikos dėsniai netinka.
Boro postulatai
Išeiti iš gana keblios padėties rado didysis danų fizikas Nilsas Boras, toliau plėtodamas kvantinę gamtos procesų teoriją.
Tačiau nuoseklios atomo teorijos Boras nesukūrė. Pagrindinius naujos reorijos teiginius jis suformulavo kaip postulatus. Be to, Boras besąlygiškai neatmetė ir klasikinės fizikos dėsnių. Naujieji postulatai veikiau apribojo klasikinės teorijos teiginius apie judėjimą.
Boro teorijos sėkmė vis dėlto kėlė nuostabą, ir visi mokslininkai suprato, kad jis surado teisingą teorijos plėtojimo kelią. Šiuo keliu einant, buvo sukurta darni mikrodalelių judėjimo teorija – kvantinė mechanika.
Pirmasis Boro postulatas teigia: atominė sistema ga
ali būti tik ypatingų stacionarinių, arba kvantinių, būsenų, kurių kiekvieną atitinka tam tikra energija En; stacionarinės būsenos atomas nespinduliuoja.
Šitas postulatas aiškiai prieštarauja klasikinei mechanikai, kurios teigimu, judančių elektronų energija gali būti bet kokia. Jis prieštarauja ir Maksvelio elektrodinamikai, nes teigia, jog elektronai gali judėti su pagreičiu, visiškai neskleisdami elektromagnetinių bangų.
Pagal antrąjį Boro postulatą, pereidamas iš vienos stacionarinės būsenos į kitą, atomas išspinduliuoja arba sugeria elektromagnetinės energijos kvantą.
Atomas spinduliuoja pereidamas iš didesnės energijosbūsenos į mažesnės energijos būseną (pav.a))
Atomas sugeria energiją pereidamas iš mažesnės energijos būsenos į didesnės energijos būseną (pav. b))
Fotono energija lygi dviejų stacionarinių atomo būsenų energijų skirtumui:

Boro teorijos sunkumai. Kvantinė mechanika
Boro teorija sėkmingiausiai buvo taikoma vandenilio atomui, kuriam, pasirodo, galima sukurti kiekybinę spektro teoriją. Tačiau Boro teiginiai netiko po vandenilio einančiam helio atomui tiksliai apibūdinti. Dėl helio ir kitų sudėtingesnių atomų pagal Boro teoriją buvo galima daryti tik kokybines (nors ir labai svarbias) išvadas.
Tai nekelia nuostabos. Boro teorija yra prieštaringa. Iš vienos pusės, kaip jau matėme, kuriant vandenilio atomo teoriją, buvo taiko Niutono mechanikos dėsniai ir seniai žinomas Kulono dėsnis, o iš kitos – kvantiniai postulatai, visiškai nesusiję su Niutono mechanika ir Maksvelio elektrodinamika. Atsiradus fizikoje kvantiniams vaizdiniams, reikėjo radikaliai pertvarkyti mechaniką ir elektrodinamiką. Tai padaryta mūsų amžiaus antrojo ketvirčio pradžioje. Buvo sukurtos naujos teorijos – kvantinė mechanika ir kvantinė elektrodinamika.
Boro postulatai pasirodė esą visiškai teisingi. Tačiau jie jau nebuvo postulatai, bet išplaukė iš šių teorijų pagrindinių principų. Paaiškėjo, kad Boro kvantavimo taisyklę ne visada galima taikyti.
Orbitų, kuriomis juda elektronas Boro atome, vaizdinys pasirodė esąs gana sąlygiškas. Iš tikrųjų elektrono judėjimas atome mažai panašus į planetų judėjimą orbitomis. Jeigu žemiausios energijos būsenos vandenilio atomą būtų galima nufotografuoti, pasirinkus ilgą ekspozicijos trukmę, išvystume nevienodo tankio Debesį. Daugiausia laiko elektronas išbūna tam tikru nuotoliu nuo branduolio. Šį nuotolį galima laikyti apytiksliai orbitos spindulio verte.

Lazeriai
Indukuotas spinduliavimas. 1917 m. Einšteinas numatė, kad atomai gali indukuotu būdu (priverstinai) spinduliuoti šviesą. Indukuotas – tai krintančios šviesos veikiamų sužadintų atomų spinduliavimas. Jis nuostabus tuo, kad krintančios š atomą ir išspinduliuotos bangos dažnis, fazė bei poliarizacija yra tokie patys.
Kvantinės teorijos požiūriu priverstinai spinduliuojantis atomas peršoka iš aukštesnės energijos būsenos į žemesnę ne savaime, bet dėl išorinio poveikio.

Lazeriai. Jau 1940 m. Rusų fizikas V. Fabrikantas nurodė, kad priverstinio spinduliavimo reiškinį galima pritaikyti elektromagnetinėms bangoms stiprinti. 1954 m. Rusų mokslininkai N. Basovas ir A. Prochorovas ir atskirai amerikiečių fizikas Č. Taunsas indukuotojo spinduliavimo reiškinį pritaikė kurdami radijo mikrobangų generatorių.
1963 m. N. Basovas, A. Prochovas ir Č. Taunsas gavo Nobelio premiją.
1960 m. JAV buvo sukurtas pirmasis lazeris – regimojo spektro elektromagnetinių
bangų kvantinis generatorius.

Lazerio spinduliavimo savybės. Lazeriniai šviesos šaltiniai, palyginti su kitais šviesos šaltiniais, turi keletą esminių privalumų.
1. Lazeriai gali sukurti labai plonus šviesos pluoštus, prasiskleidžiančius maždaug 10-5 rad kampu. Nukreiptas iš žemės, toks šviesos pluoštas Mėnulio paviršiuje sudaro 3 km skersmens dėmę.
2. Lazerio šviesa monochromatinė. Skirtingai negu paprastuose šviesos šaltiniuose, kurių atomai spinduliuoja nepriklausomai vienas nuo kito, lazeryje atomai sutartinai skleidžia šviesą. Todėl bangos fazė kinta reguliariai.
3. Lazeriai yra patys galingiausi šviesos šaltiniai. Siaurame spektro intervale pasiekiama trumpalaikė (10-11 s) 1014 W/cm2 spinduliavimo galia, tuo tarpu viso Saulės spindulių spektro galia lygi tik 7 * 103 W /cm2. Siaurame intervale Δλ = 10-6 cm (lazerio spektro linijos plotis). Saulės spindulių galia lygi tik 0,2 W/cm2. Elektromagnetinės bangos, kurią skleidžia lazeris, elektrinio lauko stiprumas viršija lauko stiprumą atomo viduje.
Lazerių veikimo principas. Paprastomis sąlygomis dauguma atomų yra žemiausios energijos būsenos. Todėl žemoje temperatūroje medžiagos nešviečia.
Sklindančios medžiaga elektromagnetinės bangos energija sugeriama. Dalis aplinkos atomų susižadina, t. y. Peršoka į aukštesnės energijos būseną

Alfa, beta ir gama spinduliai
Atradus grupę radioaktyviųjų elementų, pradėta tirti jų spindulių fizikinę prigimtį. Be Bekerelio ir sutuoktinių Kiuri, šioje srityje dirbo ir E. Rezerfordas.
Sudėtinga radioaktyviųjų spindulių prigimtis buvo išaiškinta atliekant tokį klasikinį bandymą. Radioaktyvusis radžio preparatas buvo ant švino gabale išgręžto siauro kanalo dugno. Prieš kanalą pastatyta fotografinė plokštelė. Iš kanalo sklindančiu spindulius veikė stiprus magnetinis laukas (pav. kitoje skaidrėje), statmenas spindulių sklidimo krypčiai. Visas įrenginys buvo vakuume.
Kai neveikdavo magnetinis laukas, išryškintoje fotografinėje plokštelėje, tiesiai
Prieš kanalą, susidarydavo viena tamsi dėmė. Magnetiniame lauke spindulių pluoštas suskildavo į tris pluoštelius. Du iš jų nukrypdavo į priešingas puses. Vadinasi, judėjo priešingo ženklo elektros krūviai. Beje, neigiamų krūvių pluoštelis nukrypdavo labiau negu teigiamų. Trečio pluoštelio magnetinis laukas neveikdavo. Teigiamų dalelių pluoštelis buvo pavadintas alfa spinduliais, neigiamų – beta spinduliais, o neutralus – gama spinduliais (α, β, γ spinduliais).
Šie spinduliai nepaprastai skiriasi skvarbumu, t.y. Skirtingos medžiagos nevienodai juos sugeria. Mažiausiai skvarbūs α spinduliai. Apie 0,1 mm

storio popieriaus sluoksnio jie jau neįveikia. Jei skylę švino gabale pridengtume popieriaus lapu, tai fotografinėje plokštelėje nebūtų dėmės, atitinkančios α spindulius.
Kur kas mažiau medžiaga sugeria β spindulius. Tik kelių milimetrų storio aliuminio plokštelė visiškai juos sulaiko. Skvarbiausi yra γ spinduliai. Juos intensyviai sugeria didesnio atominio numerio medžiagos. Netgi centimetro storio švino plokštelė jiems e klūtis. Praėjusių pro šią plokštelą spindulių intensyvumas sumažėja tik du kartus. α, β, γ spindulių fizikinė prigimtis skirtinga.
Gama spinduliai. Savo savybėmis γ spinduliai labai primena Rentgeno spindulius, tiktai jų skvarbumas kur kas didesnis negu Rentgeno spindulius, tiktai jų skvarbumas kur kas didesnis negu Rentgeno spindulių. Todėl tikėta, kad y spinduliai yra elektromagnetinės bangos. Visos abejonės dingo, kai buvo pastebėta Y spindulių difrakcija nuo kristalų ir išmatuotas bangos ilgis. Jis pasirodė esąs labai mažas — nuo 10~8 iki 10~” cm.
Elektromagnetinių bangų skalėje y spinduliai eina po Rentgeno spindulių, y spinduliai, kaip ir visos elektromagnetinės bangos, sklinda tuštuma apytiksliai 300 000 km/s greičiu.
Beta spinduliai. Iš pradžių a ir p spinduliai buvo laikomi elektringųjų dalelių srautais. Lengviausia buvo eksperimentuoti su P spinduliais, nes jie stipriai nukrypdavo ir magnetiniame, ir elektriniame lauke.
Pirmiausia reikėjo nustatyti dalelių masę ir krūvį. Tiriant P dalelių nukrypimą magnetiniame ir elektriniame lauke, išryškėjo, kad jos —ne kas kita, kaip elektronai, judantys greičiais, labai artimais šviesos greičiui. Iš radioaktyvaus elemento jos išlekia nevienodais greičiais.

Alfa dalelės. Sunkiausia buvo išaiškinti a dalelių prigimtį, nes jos mažai nukrypsta magnetiniame ir elektriniame lauke.
Galutinai šį uždavimį išsprendė Rezerfordas. Jis išmatavo dalelės krūvio
masės m santykį pagal nukrypimą magnetiniame lauke. Sis santykis pasirodė esąs maždaug du kartus mažesnis negu protono — vandenilio atomo branduolio. Protono krūvis lygus elementariajam krūviui, o masė labai artima atominiam masės vienetui. Vadinasi, vienam elementariajam α dalelės krūviui tenka masė, lygi dviem atominiams masės vienetams.
Tačiau α dalelės krūvis ir masė liko nežinomi. Reikėjo bent vieną jų išmatuoti. Sukūrus Geigerio skaitiklį, paprasčiau ir patikimiau buvo galima išmatuoti krūvį. Pro labai ploną langelį α dalelės gali prasiskverbti į skaitiklio vidų, ir šis jas užregistruoja.
α dalelių kelyje Rezerfordas pastatė Geigerio skaitiklį, kuris registravo per tam tikrą laiką radioaktyvaus preparato skleidžiamas daleles. Po to vietoj skaitiklio jis padėjo metalinį ritinį, sujungtą su jautriu elektrometru (pav. kitoje skaidrėje). Juo Rezerfordas matavo krūvį α dalelių, patekusių ,per tą patį laiką iš šaltinio j ritinį (daugelio medžiagų radioaktyvumas laikui bėgant beveik nekinta). Žinodamas α dalelių skaičių ir jų bendrą krūvį, Rezerfordas apskaičiavo vienos α dalelės krūvį. Jis pasirodė lygus dviem elementariesiems krūviams.
Taigi Rezerfordas įrodė, kad vienam iš dviejų α dalelės elementariųjų krūvių tenka dviejų atominių vienetų masė. Vadinasi, dviem elementariesiems krūviams tenka keturių atominių vienetų masė. Tokį pat krūvį ir masę turi helio branduolys. Taigi α dalelė — helio atomo branduolys2.
Nepasitenkindamas pasiektais rezultatais, Rezerfordas dar tiesioginiais bandymais įrodė, kad radioaktyvaus α skilimo metu susidaro helis. Jis rinko keletą dienų į specialų rezervuarą α daleles ir vėliau spektrine analize įsitikino, kad inde kaupiasi helis (kiekviena α dalelė pasigaudavo du elektronus ir virsdavo helio atomu).

Radioaktyvieji virsmai
Kas atsitinka medžiagai radioaktyviojo skilimo metu?
Atsakyti į šį klausimą XX a. pradžioje nebuvo lengva. Jau pradedant tyrinėti radioaktyvumą, išryškėjo daug keistų ir
neįprastų dalykų.
Pirma, nuostabus pastovumas, kuriuo radioaktyvieji elementai uranas, toris ir radis skleidžia spindulius. Paromis, mėnesiais ir metais spinduliavimo intensyvumas pastebimai nepakisdavo. Jam nedarė jokios įtakos nei kaitinimas, nei slėgio didinimas. Radioaktyviųjų medžiagų cheminės reakcijos taip pat neveikė radioaktyviojo skilimo.
Antra, atradus radioaktyvumą, labai greitai paaiškėjo, kad radioaktyviojo skilimo
metu išsiskiria energija. Įdėjęs radžio chlorido ampulę į kalorimetrą, kuriame buvo sugeriami α, β ir γ spinduliai, o jų energija paverčiama šiluma, Pjeras Kiuri nustatė, kad 1 g radžio per valandą išspinduliuoja 582 J. Ir šita energija nenutrūkstamai spinduliuojama ilgus metus.
Iš kurgi imama energija, kurios spinduliavimo nekeičia visi žinomi poveikiai? Matyt, skylančioje radioaktyvioje medžiagoje vyksta kažkokie gilūs pakitimai, kurie visiškai skiriasi nuo paprastų cheminių procesų. Buvo spėjama, kad kinta patys atomai.
Rezerfordas nustatė, kad užlydytoje ampulėje esančio torio aktyvumas (per vienetinį laiką išspinduliuojamų α dalelių skaičius) yra pastovus. Jeigu į preparatą nukreipiama net ir labai silpna oro srovė, torio aktyvumas stipriai sumažėja. Rezerfordas spėjo, kad kartu su α dalelėmis toris skleidžia kažkokias radioaktyvias dujas.
Išsiurbdamas orą iš ampulės su toriu, Rezerfordas išskyrė tas dujas ir ištyrė jų jonizacijos gebą. Pasirodė, kad šių dujų aktyvumas (skirtingai negu torio, urano ir radžio aktyvumas) laikui bėgant labai greitai silpnėja. Kiekvieną minutę aktyvumas susilpnėja du kartus ir po dešimties minučių pasidaro lygus nuliui. Sodis tyrinėjo šių dujų chemines savybes ir

nustatė, kad jos nedalyvauja jokiose reakcijose. Vadinasi, tai yra inertinės dujos. Vėliau jos buvo pavadintos radonu ir įrašytos į Mendelejevo lentelės 86 langelį.

Kitais elementais virsta radioaktyvusis uranas, aktinis, radis. Bendrą išvadą, kurią padarė mokslininkai, tiksliai suformulavo pats Rezerfordas: „Radioaktyviosios medžiagos atomai spontaniškai i keičiasi. Kiekvienu momentu nedidelė bendro atomų skaičiaus dalis tampa nepastovi ir suskyla. Dažniausiai dideliu greičiu išmetama atomo skeveldra — α dalelė. Kartais išlekia greitasis elektronas ir pasirodo labai skvarbūs γ spinduliai.
Išaiškinta, kad, vieniems atomams virstant kitais, susidaro visiškai nauja medžiaga, kuri cheminėmis ir fizinėmis savybėmis skiriasi nuo pirminės medžiagos. Tačiau ta nauja medžiaga taip pat nepastovi ir virsta kita, skleisdama tam tikrus radioaktyviuosius spindulius.
Taigi tiksliai nustatyta, kad kai kurių elementų atomai spontaniškai skyla. Skylant išsiskiria energijos ir, be to, kur kas daugiau negu paprastuose molekuliniuose kitimuose.
Kai buvo atrastas atomo branduolys, iš karto paaiškėjo, kad būtent jis kinta radioaktyviojo skilimo metu. Juk α dalelių elektroniniame apvalkale nėra, o, išlėkus iš šio apvalkalo vienam elektronui, atomas virsta jonu, bet ne nauju cheminiu elementu. Išlėkus elektronui iš branduolio, pastarojo krūvis padidėja vienu elementariuoju krūviu.
Taigi radioaktyvumas yra savaiminis vienų branduolių virsmas kitais, išlekiant įvairioms dalelėms.

lzotopai
Tyrinėdami radioaktyvumo reiškinį, mokslininkai atrado dar vieną atomų branduolių savybę.
Stebint milžinišką skaičių radioaktyviųjų virsmų, pamažu išaiškėjo, kad kai kurių medžiagų radioaktyviosios savybės yra skirtingos (t. y. tos medžiagos skyla skirtingai), o cheminės visiškai vienodos. Sių medžiagų niekaip nebuvo galima išskirti žinomais cheminiais būdais. Tuo remdamasis,, 1911 m. Sodis paskelbė hipotezę, kad egzistuoja elementai, turintys vienodas chemines savybes, bet besiskiriantys kitais atžvilgiais, iš dalies ir radioaktyvumu. Šituos elementus reikėtų įrašyti į tą patį Mendelejevo periodinės sistemos langelį. Sodis juos pavadino izotopais (t. y. užimančiais tą pačią vietą).
Sodžio hipotezė buvo patvirtinta ir nuodugniai išaiškinta po metų. Tomsonas, tirdamas, kaip elektringosios dalelės nukrypsta elektriniuose ir magnetiniuose laukuose, tiksliai išmatavo neono jonų masę. Jis nustatė, kad neoną sudaro dviejų rūšių atomai. Didesnės jų dalies atominė masė lygi 20, ir nedaugelio atomų — 22. Todėl mišinio atominė masė lygi 20,2. Atomų, pasižyminčių tomis pačiomis cheminėmis savybėmis, masės skyrėsi. Abi neono rūšys, savaime aišku, užima tą pačią vietą Mendelejevo lentelėje ir todėl yra izotopai. Taigi gali skirtis ne tik radioaktyviosios izotopų savybės, bet ir masės. Tai ir yra svarbiausia. Izotopų branduolių krūviai vienodi. Todėl elektronų skaičius atomų apvalkaluose, o kartu
ir izotopų cheminės savybės vienodos. Bet branduolių masės skirtingos. Be to, branduoliai gali būti ir radioaktyvūs, ir stabilūs. Radioaktyviųjų izotopų savybės skiriasi dėl to, kad nevienoda jų branduolių masė.
Šiuo metu nustatyta, kad izotopus turi visi cheminiai elementai, o kai kurie jų — tik nestabilius (t. y. radioaktyvius). Izotopų turi ir pats sunkiausias gamtoje elementas – uranas (izotopų atominės masės 238, 235 ir kt.), ir pats lengviausias — vandenilis (atominės, masės 1, 2, 3).
Ypač įdomūs vandenilio izotopai, nes jų masės skiriasi du ar tris kartus. Izotopas, kurio atominė masė 2, vadinamas deuteriu. Jis stabilus (t. y. neradioaktyvus) ir aptinkamas kartu su lengviausiu vandeniliu (santykiu 1:4500). Jungiantis deuteriui su deguonimi, susidaro vadinamasis sunkusis vanduo. Jo fizinės savybės skiriasi nuo paprasto vandens savybių.

Esant normaliam atmosferos, slėgiui, sunkusis vanduo užverda 101,2 °C, o užšąla 3,8 °C temperatūroje.
Vandenilio izotopas, kurio atominė masė 3, vadinamas tričiu. Jis yra β radioaktyvus. Tričio pusamžis – apie 12 metų.
Izotopai įrodo, kad nuo atomo branduolio krūvio, vadinasi, ir elektronų apvalkalo sandaros priklauso ne visos atomo savybės, o tik cheminės ir tos fizinės savybės, kurios priklauso nuo elektronų apvalkalo išorinės dalies, pavyzdžiui, matmenys, Elemento eilės numeris Mendelejevo lentelėje nenusako atomo masės ir radioaktyvumo pobūdžio.
Tiksliai nustačius izotopų atominių masių vertes, pasirodė, jog jos labai artimos sveikiesiems skaičiams. Kai kurių cheminių elementų atominių masių vertės nėra sveikieji skaičiai. Pavyzdžiui, chloro atominė masė lygi 35,5. Tai reiškia, kad natūrali chemiškai gryna medžiaga yra įvairių jos izotopų mišinys. Tai, kad izotopų atominės masės artimos sveikiesiems skaičiams, labai svarbu tiriant atomo branduolio sandarą.

Leave a Comment