Ştiri:

Vă rugăm să citiţi Regulamentul de utilizare a forumului Scientia în secţiunea intitulată "Regulamentul de utilizare a forumului. CITEŞTE-L!".

Main Menu

Care este contributia lui Henry Moseley la intelegerea atomului ?

Creat de morpheus, Aprilie 27, 2011, 08:25:44 AM

« precedentul - următorul »

0 Membri şi 1 Vizitator vizualizează acest subiect.

morpheus

Am vazut intr-un film documentar si am si citit apoi putin pe wikipedia despre faptul ca Henry Moseley a ajutat la clarificarea conceptului de numar atomic pe baze teoretice, legate de legile fizicii.

Poate cineva care are si ceva cunostinte de chimie sa ne explice cum era inteles atomul la acea vreme (adica cum anume explica chimia masa atomica si numarul atomic, daca o facea) si ce anume a adus nou Moseley in intelegerea nucleului atomic?

Mai mult, am citit ca protonul a fost descoperit de abia in 1919 de Rutherford. Pana atunci cam care era imaginea despre nucleul atomic, in ceea ce priveste distributia sarcinii electrice a acestuia? Cand s-a nascut ideea de proton, ca fiind o particula care face parte din nucleul atomilor?
Cu momentul în care ne naştem, timpul începe să ne ia viaţa înapoi. (Seneca)

Adi

Ai pus intrebari foarte bune, intrebari pe care le-am studiat detaliat si care imi par fascinante. Deocamdata voi raspunde doar pe scurt.

Moseley a aratat ca ordinea elementelor chimice in tabelul periodic al elementelor nu trebuie facuta in ordinea crescatoare a masei atomice (A), asa cum propusese Mendeleev in 1869 cand a lansat tabelul sau, ci in ordinea crescatoare a numarului atomic (Z), care este egal cu numarul de electroni al fiecarui atom, numar pe care, daca nu ma insel, Moseley l-a masurat pentru fiecare atom! Adica daca nu ma insel, inainte de el nu se stia fiecare atom cati electroni are. Ordinea cea noua dupa Z coincide cu ordinea veche in functie de A la toti atomii, mai putin trei, care deci au schimbat pozitia. Dar din punct de vedere stiintific, Z este numarul profund, pentru ca era legat de sarcina pozitiva din nucleu si de numarul de electroni. Asta se facea in 1914. Atunci nu se stia din ce e facut nucleul. De notat ca Moseley a fost trimis pe front in 1915 si a murit in incercarea Marea Britanii de a debarca pe plaja de la Galipoli in Turcia. A fost o mare infrangere pentru aliati si au murit multi australieni si noua-zeelandezi acolo. Dar ce e trist e ca a murit acest geniu la numai 20 si ceva de ani. Cine stie ce ar fi fost stiinta secolului trecut daca el supravietuia.

Colegul sau de generatie si universitate, James Chadwick, a avut mai mult noroc. El era in Germania sa colaboreze stiintific cu un cercetator german celebru si l-a prins razboiul acolo. A devenit automat prizonier de razboi si si-a petrecut 4 ani intr-un lagar de prizonieri. Insa nemtii, deschisi la minte, le-au oferit toate cartile de stiitna ce le doreau, plus materiale sa faca experiente de stiinta. Si a invatat multe in acei ani. La fel era sa se intample la al doilea razboi mondial, dar atunci era om patit si a fugit din Germania la primele semne de tulburari.

Chadwick a descoperit neutronul in 1932. Profesorul sau Rutherford descoperise protonul in 1919. Cum era vazut nucleul in 1915, dupa Moseley? Ei bine, pur si simplu nu se stia. Pentru ca masa nucleelor atomice era aproape un numar intreg masei celui mai mic atom, cel de hidrogen, oamenii de stiinta au presupus ca nucleele sunt facute din atomi de hidrogen. Dar studii preliminare au aratat ca nu era posibil teoretic.

Dar ce inseamna ca protonul a fost descoperit in 1919? Nu inseamna ca atunci a fost produs primul proton. Protoni se stiau deja, caci atomi de hidrogen se stiau si ioni de hidrogeni se stiau. Asadar lansez mai departe provocarea: ce s-a inteles prin faptul ca s-a descoperit protonul? Dupa ce va veti da cu presupusul, voi continua povestirea despre cum a fost ea realizata.
Pagina personala: http://adrianbuzatu.ro

morpheus

Multumesc de raspuns Adi.

Vin si eu cu o completare in ceea ce priveste evolutia ideii de proton, asa cum este ea prezentata pe wikipedia, continand ca sursa citata lucrarea [1] - General Chemistry (8th ed.). p. 41., a lui R.H. Petrucci, W.S. Harwood, and F.G. Herring (2002).

Deci:

Conceptul unei particule similare nucleului de hidrogen ca si constituent al altor atomi a prins contur de-a lungul unei perioade mari de timp.

Inca din 1815, William Prout propunea ideea ca toti atomii ar fi formati din atomi de hidrogen, folosindu-se de interpretarea simplista a valorilor de atunci a maselor atomice (ipoteza lui Prout). Ipoteza a fost infirmata ulterior de calcule mai precise cu privire la masele atomice.

In 1886 Eugen Goldstein descoperea razele canal sau anodice si arata ca acestea sunt ioni pozitivi produsi din gaze. Cum raportul sarcina/masa al acestor particule provenind de la gaze diferite avea valori diferite, ele nu au putut fi identificate cu o particula unica, asa cum a fost in cazul descoperirii electronului de catre J.J. Thomson.

Dupa descoperirea nucleului atomic in 1911 de catre Ernest Rutherford, Antonius van den Broek propune ideea ca locul fiecarui element chimic in cadrul tabelului periodic (numarul sau atomic) este egal cu sarcina electrica a nucleului sau.

Aceasta idee a fost confirmata experimental de Moseley in 1913 folosind spectrele razelor X emise de elementele chimice (care a fost procedura si cum anume a interpretat Moseley rezultatele nu imi e clar, poate cineva ne lamureste).

In 1919 Rutherford dovedea faptul ca nuclee de hidrogen (deci protoni) sunt prezente si in nucleul altor elemente chimice (si aici cred ca ne va da Adi mai multe detalii despre cum anume a facut Rutherford acest lucru), rezultat creditat de literatura de specialitate ca momentul descoperirii protonului.[1]
Cu momentul în care ne naştem, timpul începe să ne ia viaţa înapoi. (Seneca)

Adi

Excelenta prezentare!

As corecta in primul tau post ca Moseley a clarificat conceptul de numar atomic pe baze experimentale, nu teoretice. El a fost experimentator. In postul al doilea si tu zici ca a realizat asta cu ajutoru razelor X.

Practic Rutherford a aratat ca diferite tipuri de nuclee emit aceeasi particula. Astfel s-a putut "descoperi" ca acea particula este parte componenta a tuturor nucleelor. Aceasta se intelege prin faptul ca s-a descoperit o particula. Tot asa s-a descoperit si electronul ca particula elementara si universala, anume cand s-a descoperit ca toate tipurile de atomi contin electroni, iar aceasta prin faptul ca toate tipurile de atomi emiteau electroni. La fel a aratat si Rutherford ca multe tipuri de nuclee emiteau o particula. Aceasta particula avea proprietatile celui mai mic nucleu, anume nucleul de hidrogen. Pentru ca parea asadar o particula primordiala, primara, adica prezenta in toate nuceele, i s-a dat numele de proton, din grecescul protos, care inseamna primul. Era 1919.

Apoi Rutherford si elevul lui Chadwick au inceput sa adune acesti protoni emisi de toate tipurile de nuclee in fascicule de protoni si sa bombardeze cu ele alte nuclee si au descoperit dupa 10 ani de cautari ca de fapt din toate aceste nucee este emisa si un al alt tip de particula, care tot asa era universala pentru ca era emisa de toate nucleele. Era neutra si au denumit-o neutron. Era anul 1932.

Dar mai trebuie spus ceva. Imediat dupa descoperirea protonului in 1919 si mai ales ca in aceeasi perioada fusesera descoperiti izotopii, s-a inteles ca ideea liu Prout din 1815 era de fapt corecta, anume ca nucleul de hidrogen era la baza tuturor nucleelor. Faptul ca atomii aveau mase care nu erau chiar multipli intregi ai masei atomului de hidrogen era explicat prin faptul ca de fapt atomii aveau mase multiple ai atomului de hidrogen, dar erau mai multe specii de atomi de acelasi tip, izotopi, aflati in proportii diferite in natura, ceea ce da masele cu virgula! Deci in 1919 s-a inviat ideea ca exista atomi de hidrogen in nuclee! Astfel, un atom cu numar atomic Z si masa A era inteles a avea Z ioni de hidrogen si A minus Z atomi de hidrogen inautru! Intersant, nu? Asta inseamna ca existau electroni in interiorul nucleului! Aceasta cu atat mai mult cu cat se stia ca unele nuclee sunt radioactive si atunci emit electroni! Era deci cat se poate de evident ca electronii existau deja in nuclee, de vreme ce unele nuclee emiteau electroni, nu?

Fals! A spus Heisenberg in 1925 cand a dezvoltat mecanica cuantica si a construit principiul sau al incertitudinii. Acest principiu este cel care a izgonit electronul din nucleu! Fascinant, nu? Ei bine, daca nucleul ar fi in nucleu, inseamna ca precizia masurarii pozitiei lui este dimensiunea nucleului, care este 10 la putearea minus 10 metri, ceea ce inseamna ca viteza lui ar fi foarte mare, asa de mare, ca ar zbura din nucleu imediat! Deci de fapt electronul nu e in nucleu!

Dar daca electronul nu e in nucleu, atunci ce are masa cam cat protonul si este neutru in nucleu si in numar de A-Z particule? Noua ne pare evident acum ca ar fi o particula elementara diferita, dar atunci parea incredibil si o idee pe care nu o avea nimeni, decat Rutherford si Chadwick, care o gandisera si cauta sa o valideze experimental. De fapt neutronul a fost descoperit de doua ori inaintea lor, dar ei au crezut ca vedeau raze gamma, care erau tot neutre. Chadwick era un experimentar desavarsit si avea cel mai bun laborator din lume pe vremea aia (Cambridge, 1910-1930 a fost cel mai bun din lume pe fizica nucleara) si a masurat razele neutre emise de multe tipuri de atomi si a masurat precis masa lor. Asta a fost cheia. Astfel a aratat ca nu sunt fotoni (care au masa zero), ci ca au masa aproape cat protonul. Si cum era emis de toate nucleele, inseamna ca era o noua particula elementara. Asa a fost descoperit neutronul ...

Dar atunci daca in 1932 a fost confermat ca exista neutronul, cum se explica atunci dezintegrarea nucleara? Aici a venit Fermi tot in 1932, adica imediat, si a zis ca de fapt neutronul se descompune intr-un proton si-un electron. Sarcina electrica se conserva. Protonul fiind mare este produs aproape in repaus si ramane in nulceu, crescand Z cu unu si astfel transformand elementul chimic in alt element chimic, iar electronul iese cu viteza in nucleu. Deci desi nu exista initial in nucleu, electronul a fost produs pe loc prin disparitia neutronului si iese din nucleu. Daca protonul se descompune numai intr-un electron si proton, electronul ar trebui sa aiba mereu aceesi viteza! Dar ei au masurat precis viteza electronilor si le dadea o suma de valori, din care valorea maxima masurata de ei era valoarea prezisa de ei, dar de ce avea si valori mai mici? S-au gandit atunci ca nu se mai conserva energia. Dar a venit Pauli, un alt teoretician, si a zis ca de fapt ar mai vorba de o noua particula, tot neutra, dar mai mica, care este misas in acelasi tip cu electronul si care duce o parte din energia electronului. Cum numele de neutron era deja luat, i-a dat numele de neutron mai mic, adica neutrino ...

Si toate astea in 1932! A fost intr-adevar un an de revolutie in fizica nucleara! Si in plus de asta, tot in 1932 s-a descoperit antimateria (prin antielectron), dar asta e o alta poveste! Deci daca pana in 1932 credeau ca au inteles tot, atunci a inceput revolutia ... Erau deja particule noi, fenomene noi ...

Daca nucleul e format din protoni si neutroni, atunci de ce nucleul nu explodeaza? Caci daca ar fi doar forta electrica, protonii s-ar respinge cu protonii, neutronii cu neutronii nu ar interactiona si neutronii cu protonii nu ar interactiona. Si atunci intra in scena teoreticianul japonez Yukawa in 1935 (primul om de stiinta japonez cunoscut, cred!) si el a prezis o noua forta, forta nucleara tare, prin care protonii si protonii se atrag, protonii si neutronii se atrag, neutronii si neutronii se atrag. Practic pentru aceasta forta protonul si neutronul sunt una si aceeasi particula (nucleon) si oricare doi nucleoni se atrag. Dar o forta actioneaza prin intermediul unei particule mesagere, iar el a prezis ca o particula cu masa intre electron si proton ar fi descoperita. Cum avea masa intre electron si proton, i s-a zis mezon, adica intre. Si cum in radiatiile cosmice era o astfel de particula, la inceput s-a crezut ca este vorba de acest mezon prezis de teoria lui Yukawa. Dar dupa multe studii detaliate, particula parea tot mai mult asemanatoare electronului, doar ca de 200 de ori mai masiva. Dupa lungi dispute i s-a zis  ... muon, dar era o particula complet venita din neant, care nu explica absolut nimic. Toate celelalte dinainte au explicat ceva. Asta nu explica nimic. Si Pauli a pus atunci celebra intrebare "Cine a comandat muonul?". Ei bine, la intrebaera asta nu s-a raspuns insa. De ce exista trei generatii de particule (caci mai e un frate mai mare al electronului, in afara de muon, denumit leptonul tau) cand Universul putea merge la fel de bine doar cu 1 generatie?

Asa ca cautarea mezonului a continuat si a fost descoperit abia dupa razboi ... dez, razboiul a concentrat efortul pe bomba nucleara, pe radar, telecomunicatii, calculatoare, etc, dar nu pe fizica particulelor. Aceasta a reluat dupa razboi si in 1947 au fost trimise baloane in atmosfera inalta cu placi fotografice care inregistrau singure ce particule le strabateau. Si acolo a fost descoperit in sfarsit mult cautat mezon, confirmand astfel teoria lui Yukawa! Forta tare era reala si era mediata de ceea ce numim acum mezonii pi, atat incarcati electric, cat si neutri ...

Am sarit mult de la Moseley, dar asta e in mare fizica nucleara si particulelor inainte de 1950 ...



Pagina personala: http://adrianbuzatu.ro