Открытие естественной радиоактивности

На границе двух последних веков произошло событие, изменившее судьбу человечества.
Французский физик Антуан Беккерель в одном из своих опытов завернул кристаллы сульфата уранил-калия K₂(UO₂)(SO₄)₂ в черную светонепроницаемую бумагу и положил сверток на фотопластинку. После проявления он обнаружил на ней очертания кристаллов. Так была открыта естественная радиоактивность соединений урана.

Наблюдения Беккереля заинтересовали французский ученых, физика и химика Мари Склодовскую-Кюри и ее супруга физика Пьера Кюри. Они занялись поисками новых радиоактивных химических элементов в минералах урана. Найденные ими в 1898 году полоний Po и радий Ra оказались продуктами распада атомов урана. Это была уже настоящая революция в химии, так как до этого атомы считались неделимыми, а химические элементы - вечными и неразрушимыми.

В ХХ веке в химии произошло много интересных открытий. Вот только небольшая часть из них. С 1940 по 1988 гг. было синтезировано 20 новых химических элементов, не найденных в природе, в том числе технеций Tc и астат At. Удалось получить элементы, находящиеся в Периодической системе после урана, от нептуния Np с атомным номером 93 до элемента, не имеющего до сих пор общепризнанного названия, с атомным номером 114.

Происходит постепенное слияние неорганической и органической химии и образованием на их основе химии металлоорганических соединений, бионеорганической химии, химии кремния и бора, химии комплексных соединений. Начало этому процессу положил датский химик-органик Вильям Цейзе, синтезировавший в 1827 году необычное соединение трихлороэтиленплатинат(II) калия K[Pt(C₂H₄)Cl₃]. Только в 1956 году удалось установить характер химических связей в этом соединении.

Во второй половине XX века удалось получить искусственным путем такие очень сложные природные вещества, как хлорофилл и инсулин. Были также синтезированы соединения благородных газов от радона Rn до аргона Ar, считавшихся ранее инертными, неспособными к химическому взаимодействию. Положено начало получению топлива из воды и света.

Возможности химии оказались беспредельными, а самые необузданные фантазии человека в области синтеза веществ с необычными свойствами - осуществимыми. Их реализацией и займется молодое поколение химиков первой половины XXI века.

 

Открытие электрона

Гипотеза о существовании элементарного электрического заряда. Опыты Фарадея показали, что для разных электролитов электрохимический эквивалент k вещества оказывается различным, но, чтобы выделить на электроде один моль любого одновалентного вещества, требуется пропустить один и тот же заряд F, равный примерно 9.6*10­­⁴ Кл. Более точное значение этой величины, называемой постоянной Фарадея, равно F=96485 Кл*моль^-1.

Если 1 моль ионов при пропускании электрического тока через раствор электролита переносит электрический заряд, равный постоянной Фарадея F, то на долю каждого иона приходится электрический заряд, равный

. (12.10)

На основании такого расчета ирландский физик Д. Стоней высказал предположение о существовании внутри атомов элементарных электрических зарядов. В 1891 г. минимальный электрический заряд е он предложил назвать электроном.

Измерение заряда иона. При пропускании через электролит постоянного электрического тока за время t к одному из электродов приходит электрический заряд, равный произведению силы тока I на время t. С другой стороны, этот электрический заряд равен произведению заряда одного иона q₀ на число ионов N:

It = q₀N. (12.11)

Отсюда получаем

(12.12)

Так как

(12.13)

то из выражений (12.12) и (12.13) находим

.

Таким образом, для экспериментального определения заряда одного иона нужно измерить силу постоянного тока I, проходящего через электролит, время t пропускания тока и массу m вещества, выделившегося у одного из электродов. Необходимо знать также молярную массу вещества M.

Открытие электрона. Установление закона электролиза еще не доказало строго, что в природе существуют элементарные электрические заряды. Можно, например, предположить, что все одновалентные ионы имеют различные электрические заряды, но их среднее значение равно элементарному заряду е.
Для того чтобы выяснить, существует ли в природе элементарный заряд, необходимо было измерить не суммарное количество электричества, переносимое большим числом ионов, а заряды отдельных ионов. Неясным был и вопрос о том, обязательно ли заряд связан с частицами вещества и, если связан, с какими именно.
Важный вклад в решение этих вопросов был сделан в конце XIX в. при исследовании явлений, возникающих при пропускании электрического тока через разреженные газы. В опытах было обнаружено свечение стекла разрядной трубки за анодом. На светлом фоне светящегося стекла была видна тень от анода, как будто бы свечение стекла вызывалось каким-то невидимым излучением, распространяющимся прямолинейно от катода к аноду. Это невидимое излучение назвали катодными лучами.
Французский физик Жан Перрен в 1895 г. установил, что «катодные лучи» в действительности являются потоком отрицательно заряженных частиц.
Исследуя законы движения частиц катодных лучей в электрических и магнитных полях, английский физик Джозеф Томсон (1856—1940) установил, что отношение электрического заряда каждой из частиц к ее массе является величиной, одинаковой для всех частиц. Если предположить, что каждая частица катодных лучей имеет заряд, равный элементарному заряду е, то придется сделать вывод, что масса частицы катодных лучей меньше одной тысячной массы самого легкого из известных атомов — атома водорода.
Далее Томсон установил, что отношение заряда частиц катодных лучей к их массе получается одинаковым при наполнении трубки различными газами и при изготовлении катода из разных металлов. Следовательно, одинаковые частицы входили в состав атомов различных элементов.
На основании результатов своих опытов Томсон сделал вывод, что атомы вещества не являются неделимыми. Из атома любого химического элемента могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы с массой, меньшей одной тысячной массы атома водорода. Все эти частицы имеют одинаковую массу и обладают одинаковым электрическим зарядом. Эти частицы называют электронами.

Опыт Милликена. Окончательное доказательство существования элементарного электрического заряда было дано опытами, которые выполнил в 1909— 1912 гг. американский физик Роберт Милликен (1868— 1953). В этих опытах измерялась скорость движения капель масла в однородном электрическом поле между двумя металлическими пластинами. Капля масла, не имеющая электрического заряда из-за сопротивления воздуха падает с некоторой постоянной скоростью. Если на своем пути капля встречается с ионом и приобретает электрический заряд q, то на нее, кроме силы тяжести, действует еще кулоновская сила со стороны электрического поля. В результате изменения силы, вызывающей движение капли, изменяется скорость ее движения. Измеряя скорость движения капли и зная напряженность электрического поля, в котором происходило ее движение, Милликен мог определить заряд капли.
Опыт Милликена был повторен одним из основателей советской физики — Абрамом Федоровичем Иоффе (1880— 1960). В опытах Иоффе для определения элементарного электрического заряда вместо капель масла использовались металлические пылинки. Изменением напряжения между пластинами достигалось равенство кулоновской силы и силы тяжести (рис. 12.2), пылинка в этом случае была неподвижной:

mg=q₁E_1.

Рисунок 12. 2

 

При освещении пылинки ультрафиолетовым светом ее заряд изменялся и для уравновешивания силы тяжести нужно было изменить напряженность электрического поля между пластинами:

mg=q₂E_2.

 

По измеренным значениям напряженности электрического поля можно было определить отношение электрических зарядов пылинки:

mg = q₁E_{1 =} q₂E_{2 = …} = q_nE_n;

Опыты Милликена и Иоффе показали, что заряды капель и пылинок всегда изменяются скачкообразно. Минимальная «порция» электрического заряда — элементарный электрический заряд, равный

e=1,602*10­­^-19 Кл.

Электрический заряд любого тела всегда целочисленно кратен элементарному электрическому заряду. Других «порций» электрического заряда, способных переходить от одного тела к другому, в природе до сих пор экспериментально обнаружить не удалось. В настоящее время имеются теоретические предсказания о существовании элементарных частиц — кварков — с дробными электрическими зарядами, равными 1/Зе и 2/Зе.