Periodinė elementų lentelė, chemijos mokslo kertinis akmuo, nuolat kinta ir tobulėja. Elementų svoriai nėra pastovūs, elementai keičia savo vietas, o reliatyvumo teorija įneša dar daugiau neapibrėžtumo. Ši lentelė, nors ir atrodo stabili, toli gražu tokia nėra, ir niekas negali numatyti, kuo šis procesas baigsis. Periodinė lentelė sulaukė daugybės imitacijų, pradedant šriftais ir mėsos rūšimis, baigiant Muppet'ais. Chemikai, žinodami elemento vietą lentelėje ir jo kaimynus, gali patikimai nustatyti elemento savybes ir ieškoti naujų medžiagų. Peteris Edwardsas iš Oxfordo universiteto teigia, kad periodinė lentelė konkuruoja su Darwino "Rūšių atsiradimu" tvarkos sudarymo iš chaoso prasme.
Periodinės lentelės ištakos siekia XIX a., kai chemikai pastebėjo, kad išrikiavus žinomus cheminius elementus pagal atominę masę, išryškėja tam tikra struktūra. Dmitrijus Mendelejevas ir kiti chemikai ėmė grupuoti elementus į eilutes ir stulpelius, kad atspindėtų šią struktūrą. Jie suprato, kad plyšiai lentelėse leidžia nuspėti dar nežinomų elementų egzistavimą. Tik XX a. atsiradus kvantų teorijai, pradėta suvokti tikroji lentelės struktūros prasmė. Periodinės lentelės eilutės ir blokai atspindi atomo elektronų išsidėstymą sluoksniais aplink protonus branduolyje. Elektronai užpildo sluoksnius ir posluoksnius, pradedant nuo mažiausios energijos ir arčiausiai branduolio esančių. Elektronų skaičius tolimiausiame sluoksnyje ir jo atstumas nuo branduolio bei kitų sluoksnių yra pagrindiniai veiksniai, apibrėžiantys chemines elemento savybes. Ericas Scerri'is, chemijos filosofas iš Kalifornijos universiteto Los Andžele, teigia, kad cheminis periodiškumas yra natūrali savybė. Tačiau dėl to kartais daromos skubotos išvados apie lentelę. Scerri'is pažymi, kad dar reikia išsiaiškinti daugybę aspektų. Elektronų konfigūracijos ne visada atitinka chemines savybes, o savybės ir struktūra, kurias laikome savaime suprantama Žemėje, gali būti visiškai kitokios ekstremalioje kosmoso aplinkoje. Be to, daug klausimų apie tai, kas vyksta lentelės gale, lieka neatsakyti.
Šiame straipsnyje panagrinėsime, kaip protonų ir neutronų skaičius branduolyje veikia jo stabilumą, kokios jėgos palaiko branduolį ir kokie procesai lemia radioaktyvų skilimą. Taip pat aptarsime, kaip reliatyvumo teorija ir ekstremalios sąlygos keičia elementų savybes ir periodinę lentelę.
Atominė Masė: Svorio Kintamumas
Pirmosiose periodinėse lentelėse elementai buvo išrikiuojami pagal didėjančią atominę masę, t. y., pagal protonų ir neutronų skaičių branduolyje. Tačiau daugelis atomų turi izotopus, kurių branduoliai skiriasi neutronų skaičiumi. Dabartinėse lentelėse elementai išrikiuojami pagal atominį skaičių - nekintantį protonų skaičių. Atominė masė tebėra svarbi, tačiau kyla klausimas, kuri iš jų yra "teisinga"? Anksčiau ji būdavo rodoma kaip vienas skaičius, imant natūralių izotopų masių vidurkį ir atsižvelgiant į jų gausą. Tačiau Tyleris Coplenas iš Restono Stabilių izotopų laboratorijos Virdžinijos valstijoje teigia, kad tai palaiko klaidingą įsitikinimą, jog šis skaičius yra fundamentali konstanta. Iš tiesų, elemento, pvz., anglies, atominė masė šiek tiek skiriasi, priklausomai nuo to, koks tiksliai kiekvieno izotopo yra pavyzdyje.
Tarptautinė teorinės ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) 2009 m. pašalino nustatytas atomines mases 10 elementų, tarp jų vandenilis, litis, boras, anglis, azotas ir siera, pakeisdama jas masių spektru, parodančiu izotopų pasiskirstymą visuose žinomuose žemiškuose pavyzdžiuose. 2013 m. gegužę atėjo bromo ir magnio eilė. Kiti tikriausiai bus nikelis, selenas ir cinkas. Tačiau ne visi elementai į savo masę žiūri taip lengvabūdiškai. Fluoras, aliuminis, natris, auksas ir dar 17 kitų elementų turi tik vieną stabilų izotopą, o tai reiškia, kad jų atominė masė yra pastovi iš prigimties.
Taip pat skaitykite: Emocinio stabilumo įvertinimas
Lantanidų ir Aktinidų Vieta Periodinėje Lentelėje: Trys - Jau Kompanija?
Dėliojant elementus periodinėje lentelėje pagal atominį skaičių, jų vieta tampa neginčijama, išskyrus tada, kai ginčijama. Paimkime dvi elementų eilutes, lyg paskutiniu momentu susizgribus pridėtas po pagrindine lentele: lantanidus ir aktinidus. Du tarpai pagrindinėje lentelėje, po skandžiu ir itriu 3 grupėje, žymi vietas, kur turėtų įsiterpti tos dvi juostos. Tačiau kyla klausimas, kaip jas įterpti? Yra dvi skirtingos nuomonės.
Viena nuomonė remiasi elektronų konfigūracija: tiek skandis, tiek itris išoriniame sluoksnyje turi po tris elektronus, kaip ir lantanas bei aktinis, kairiausi šių serijų elementai, todėl jie visai teisėtai užima savo vietas. Tačiau kiti nurodo, kad pagal chemines savybes, atominį spindulį ir lydymosi temperatūrą geriau tinka liutecis ir laurencis dešiniame eilutės gale. 2008 m. įtampa tarp dviejų pusių išsiliejo Journal of Chemical Education puslapiuose.
Scerri'is teigia, kad šio disputo sprendimas yra svarbus ne tik vardan pedagoginio aiškumo. Itris gali būti naudojamas superlaidininkų, išlaikančių savybę praleisti srovę be varžos gana aukštoje temperatūroje, gamybai. Vyksta medžiagų, turinčių panašių savybių, medžioklė, ir Scerri'is mano, kad liutecis ir laurencis gali būti nepakankamai vertinami, nes atrodo priklausantys kitai, visiškai nesusijusiai grupei. Tačiau sprendimas dar nepriimtas. IUPAC leido Scerri'iui sudaryti komitetą, bet tik tam, kad išsiaiškintų, kam tokio sprendimo gali reikėti.
Vandenilis ir Helis: Pusiau Tuščia ar Pusiau Pilna?
Ankstyvojoje visatoje praktiškai tebuvo du paprasčiausi elementai, vandenilis ir helis. Randantis sudėtingesniems elementams, darėsi sudėtinga nuspręsti, kur jie tinka. Vandenilio atome yra vienas protonas, gaubiamas elektronų sluoksnio, kuriame yra vienas elektronas, nors telpa du. Ar šis sluoksnis pusiau tuščias ar pusiau pilnas? Dauguma elementų cheminėse reakcijose pasiima arba atiduoda elektronus. Vandenilis gali veikti dvejopai, kartais prisijungdamas elektroną, kad užpildytų sluoksnį ir sudarytų tokius junginius kaip natrio hidridas (NaH), o kartais vienintelį elektroną prarandą ir sudaro tokius junginius, kaip vandenilio fluoridas (HF).
Daugumoje periodinių lentelių, taip pat ir IUPAC, vandenilis dedamas pirmojoje grupėje, drauge su elektronus atiduodančiais metaliniais elementais, tokiais kaip litis ar natris. Bet netgi IUPAC leidžia vandeniliui taip pat patogiai įsitaisyti prie elektronų trokštančių halogenų, tokių kaip fluoras 17 grupėje. Daugumos chemikų toks nevienareikšmiškumas itin nejaudina. Pekka Pyykkö iš Helsinkio universiteto Suomijoje teigia, kad jam nekelia problemų įtraukti vandenilį ir į 1, ir į 17 grupę.
Taip pat skaitykite: Kraujo judėjimo iššūkiai
Su heliu bėda ta, kad dėl užpildyto išorinio sluoksnio jis praktiškai su niekuo nereaguoja. Standartinėje periodinėje grupėje helis yra 18 grupėje. Bet kadangi jo išoriniame sluoksnyje tėra du elektronai, kai kam atrodo, kad jam tinkamesnė vieta būtų šalia tokių elementų, kaip berilis, 2 grupėje. Šį įtarimą stiprina skaičiavimai, rodantys, kad ir helis, ir neonas tam tikromis sąlygomis gali reaguoti su kitais elementais, bet helis - labiau. Tai prieštarauja reaktyvumo stiprėjimo leidžiantis žemyn grupe tendencijai, todėl kai kas siūlo tai ištaisyti, perkeliant helį į 2 grupę.
Metališkumas: Kada Metalas Nėra Metalas?
Periodinės lentelės sudarymo pionieriams pasitikėjimo atliekamo darbo teisingumu suteikė tendencija, kad einant įstrižai nuo apatinio kairio kampo į viršutinį dešinį, elementai tampa mažiau metališki. Paprastai jas skirianti linija vaizduojama kaip stora linija, laiptais besileidžianti nuo lentelės dešinės. Tačiau tai nėra taip paprasta. Edwardsas teigia, kad metalo ir nemetalo riba nėra šventas dalykas.
Pavyzdžiui, vandenilis. Mes, žemiečiai, laikome jį visiškai nemetališkomis, skaidriomis dujomis. Bet vandenilio turtingų planetų, tokių kaip Jupiteris ar Saturnas, gelmėse, aukštas slėgis ir temperatūra, manoma, paverčia vandenilį blizgančiu, metaliniu skysčiu. Įprastinė jo vieta periodinėje lentelėje virš metalinio ličio tai ir rodo. Bet tokie pagarsėję nemetalai, kaip helis ar deguonis, spaudžiami, manoma, taip pat keičia prigimtį ir jų išoriniai elektronai laigo laisvi, ir elektrą praleidžia, kaip tikri metalai. Friedrichas Henselis iš Marburgo universiteto Vokietijoje pastebi, kad išmokta periodinė lentelė tėra normalių sąlygų periodinė lentelė.
Slegiamas vandenilis gali netgi virsti kietu metalu, medžiaga su tokiu jaudinančiu pritaikymu, kaip kuras ar kambario temperatūros superlaidininkas, nors neseni teiginiai apie jo pagaminimą laboratorijoje diskutuotini. 2009 m. Artemo Oganovo, dabar dirbančio Niujorko valstijos universitete Stony Brooke, vadovaujama komanda, panaudodami aukštą slėgį, pavertė blizgų 1 grupės metalą natrį skaidriu, rausvai oranžiniu nemetalu. Šiuo atveju slėgis suartino elektronus taip, kad šie turėjo persigrupuoti, idant sumažintų tarpusavio stūmą, užuot lakstę laisvi.
Oganovas teigia, kad toks elgesys rodo, jog chemijos pasaulyje nedaug pastovumo, tačiau nereikėtų panikuoti. Jis nemano, kad periodinę lentelę reikėtų revizuoti. Tai, ką darome dabar, yra tiesiog labai svarbūs jos komentarai ir pataisymai.
Taip pat skaitykite: Pacientų agresijos tyrimai
Reliatyvumo Įtaka: Einšteino Šešėlis
Einšteino reliatyvumas kraipo ne tik erdvę, laiką ir protus, bet ir periodinę lentelę. Prisiartinus prie aukso, kurio atominis skaičius yra 79, branduolio trauka yra tokia stipri, kad arčiausiai esantys elektronai zvimbia apie jį greičiu, prilygstančiu 80 % šviesos greičio. Tai padidina jų masę, todėl jie sukasi arčiau branduolio ir uždengia tolesnius elektronus nuo jo traukos. Todėl išoriniai sluoksniai išsiplečia, ir tvarkingas ryšys tarp to, kaip elektronai užpildo sluoksnius ir elemento cheminių savybių ima irti.
Būtent iš čia atsirandantys poveikiai aukso sugeriamos šviesos bangų ilgiui lemia tai, kad auksas toks nepanašus į virš jo periodinėje lentelėje esančius brangiuosius metalus. Pyykkö teigia, kad reliatyvumas yra būtinas, kad auksas skirtųsi nuo sidabro. Peteris Schwerdtfegeris Massey universitete, Aucklande, Naujojoje Zelandijoje, įrodė, kad gyvsidabrio anomaliai žema lydymosi temperatūra, dėl kurios jis vienintelis kambario temperatūroje yra skystas, taip pat yra dėl reliatyvistinių efektų.
O kas vyksta, prie lentelės pridedant vis sunkesnius elementus? Nesame tikri. Kai rezerfordžio (atominis skaičius 104) ir dubnio (105) savybės pasirodė besiskiriančios nuo tiesiai virš jų esančių hafnio ir tantalo, kilo klausimų. Bet siborgis (106) atrodo visiškai pritampantis. Elementas 107 buvo pavadintas "nuobodžiuoju boru" dėl pritapimo prie grupės. Eksperimentai su dviem lentelės naujokais, kopernikiu (112) ir flevoriumu (114), kol kas piešia maišytą vaizdą.
Ar Einšteinas iš lentelės atėmė prognozavimo galias? Pyykkö dėl netvarkos nesijaudina. Jis teigia, kad nėra paprastos matematinės teorijos, pagrindžiančios periodinę lentelę. Yra daug varžtelių ir sraigtelių, vienas iš jų yra reliatyvumas. Sudėti kartu, jie paaiškina periodinės lentelės veikimą. Matthiasas Schädelis, tiriantis supersunkius elementus GSI Helmholtz Sunkiųjų jonų tyrimų centre Darmstadte, Vokietijoje, ne toks optimistiškas. Jis teigia, kad periodinė lentelė tebėra nepažeista, bet tikslių savybių prognozuoti negali.
Supersunkūs Elementai: Kur Visa Tai Baigsis?
Pirmieji atomų modeliai rodė, kad virš atominio skaičiaus 103, teigiamai įelektrintų protonų tarpusavio stūma taps tokia stipri, kad atomai paprasčiausiai suirs. Gamtos duota eilė iš esmės baigiasi su 92, uranu. Bet dėl laboratorijose vykstančių eksperimentų, stengiantis sukurti elementus už urano, dabar oficialiai pripažintas atomas yra livermoriumo (116). Elementai 117 ir 118, jau sukurti, kol kas dar nėra įteisinti. Aišku, kad lentelės pabaigą nustatyti nėra taip paprasta. Schädelis teigia, kad riba tikrai yra, bet nežinome, kur.
Supersunkių elementų, kurių atominis skaičius didesnis nei 103, egzistavimą aiškina teorijos, teigiančios, kad lygiai kaip elektronai yra išsidėstę sluoksniais, taip ir protonai bei neutronai. Kai jų skaičius yra lygus arba artimas "magiškiems", atitinkantiems užpildytus sluoksnius, atomai būna stabilesni. Bet vis vien turi būti taškas, kai masyviuose atomuose esantis laukas taps nebepakeliamas. Pagal vieną pasiūlymą, 2011 m. iškeltą fizikos teoretiko Paulo Indelicato'o iš Pierre ir Marie Curie universiteto Paryžiuje ir jo kolegų, šių laukų kvantinis nestabilumas galiausiai pribaigtų elementus, kurių atominis skaičius didesnis nei 172.
Tačiau kalbant apie supersunkius elementus, stabilumas šiaip ar taip yra reliatyvus dalykas: kol kas pagamintieji yra radioaktyvūs ir dažnai išlieka vos dalelę sekundės prieš suirdami, taip apsunkindami jų tyrimą. Be to, daugumą jų gali pagaminti tik po vieną atomą iš karto, o tai reiškia, kad cheminės ir fizikinės savybės, tokios kaip garavimas, laidumas, ar tai yra dujos, skystis ar kieta medžiaga, praktiškai netenka prasmės. Ar jie iš vis laikytini elementais? Schädelis teigia, kad chemikai nori pamatyti chemines sąveikas.
Kelios tyrimų komandos sukūrė genialius vieno atomo savybių tyrimo būdus. Viename eksperimente buvo tiriamas kopernikio ir flevoriumo lakumas, lyginant temperatūras, kurioje atomas prilimpa prie aukso paviršiaus, su žinomo lakumo atomų. Teorija taip pat numato, kad aukštesnė prilipimo temperatūra gali būti metališkumo požymis. Schädelis pažymi, kad chemikai ir fizikai šimtmečiais nustatinėdavo metališkumą, bet jiems niekada nereikėjo galvoti, kas nutinka su vienu atomu. Tai visiškai naujas metalo nustatymo būdas.
Net jeigu ir taip, jei nėra realių perspektyvų kam nors panaudoti šiuos supersunkius elementus, ar tai nėra tuščias laiko švaistymas? Schädelis taip nemano ir laiko tokius eksperimentus tąsa 150 metų tradicijos, padariusios periodinę lentelę tokiu charizmatišku elementų sąrašu, koks jis dabar yra. Jis teigia, kad tai yra terra incognita žvalgymas, ėjimas į vietas, kur anksčiau niekas kitas nė nežvilgtelėjo.
Atomo Sandara: Protonai, Neutronai ir Elektronai
Žodis atomas yra kilęs iš graikiško žodžio atomos, kuris reiškia "nedalomas". Atomai yra tokie maži, kad bilijonas atomų tilptų ant šio sakinio gale esančio taško. Mokslininkai nustatė, kad atomo spindulys siekia 0,53 x 10-10 iki 1,5 x 10-15 m, o branduolio spindulys yra nuo 1,3 x 10-15 iki 9 x 10-15 m. Norint gauti vieno centimetro skersmens rutuliuką, reikėtų 100 milijonų atomų.
Pats atomas yra sudarytas iš tankaus branduolio ir elektronų debesies. Branduolys sudaro didžiąją atomo masės dalį, maždaug apie 99,9% viso atomo. Branduolio tankis yra nepaprastai didelis, apie (1,4- 1,8) x10-19 kg /m3. Atomo branduolys sudarytas iš protonų ir neutronų. Protonų ir neutronų dalelės turi apytiksliai vienodas mases. Už elektronus jie yra sunkesni net 1800 kartus. Protonai turi teigiamą krūvį, elektronai - neigiamą, o neutronai krūvio neturi. Elektronai apie branduolį juda apibrėžtomis orbitomis. Tai vyksta dėl elektrinės traukos tarp neigiamąjį krūvį turinčių elektronų ir branduolyje esančių, teigiamą krūvį turinčių protonų. Neigiamas elektronų krūvis neutralizuoja teigiamą protonų krūvį. Jei nebūtų neutronų, dėl teigiamai įkrautų protonų stūmos jėgų branduolys suirtų. Neutronai padeda sujungti branduolio daleles.
Istorinis Atomo Sampratos Vystymasis
Apie atomo buvimą jau žinojo Graikų filosofas Leukipas (Leukippos; 500 - 440 m. pr. Kr.) ir jo mokinys Demokritas (Demokritos; 460 - 370 m. pr. Kr.). Jie propagavo idėją, kad yra mažiausios materialiosios dalelės - atomai. 1808 m. anglų fizikas ir chemikas Dž. Daltonas (Dalton) iškėlė idėją, kad atomas yra mažiausia cheminio elemento dalelė, kuri skiriasi nuo kitų elementų atomų savo mase. 1858 m. atradus katodinius spindulius, o 1896 m. radioaktyviųjų medžiagų spinduliavimą, paaiškėjo, kad atomas yra dalomas, jis sudarytas iš smulkesnių dalelių. Tai paneigė prieš tai vyravusią nuomonę, kad atomas yra nedalomas ir yra mažiausia dalelė. 1869 m. atominę medžiagos sandarą galutinai patvirtino periodinė elementų sistema, kurią sukūrė nepriklausomai vienas nuo kito vokiečių chemikas L. Mejeris (Meyer) ir rusų chemikas Dmitrijus Mendelejevas. 1897 m. atrasta pirmoji už atomą mažesnė dalelė, pavadinta elektronu, o 1932 m. buvo atrastas neutronas. 1911 m. britų fizikas Ernestas Rezerfordas (1871 - 1937 m.) atrado, kad kiekvienas atomas turi sunkų teigiamai įelektrintą branduolį. 1922 m. danų fizikas Nilsas Boras (1885 - 1962 m.) už sukurtą atomo sandaros teoriją gavo fizikos Nobelio premiją. Pagal jo Boro teoriją, elektronai juda aplink atomo branduolį sferiniais sluoksniais, vadinamais orbitomis. Šiuolaikinė atominė teorija teigia, kad atomas sudarytas iš branduolio, kurį sudaro protonai ir neutronai, ir aplink jį skriejančių elektronų.
Atomo Modeliai: Nuo Tomsono iki Rezerfordo
Įsitikinus, kad atomai tikrai egzistuoja, buvo siūloma daugybė modelių jų sandarai paaiškinti. Paprasčiausias iš jų - mechaninis atomo modelis, kurį 1903 m. sukūrė anglų fizikas Džozefas Džonas Tomsonas (Thomson; 1856 - 1940 m.). Pagal Tomsoną, atomas yra mažas rutuliukas - teigiamo krūvio debesėlis, kuriame elektronai išsidėstę kaip razinos pyrage. Toks modelis tiko paaiškinti reiškiniams, kuriuose atomo sandara nevaidino jokio vaidmens.
Dabartinėje fizikoje atomo sandaros modelį pasiūlė anglų fizikas Rezerfordas. Pagal Rezerfordą, atomo centre yra teigiamai elektringas branduolys, kuriame sutelkta beveik visa branduolio masė. Atomas neutralus, todėl jo elektrono skaičius, kaip ir branduolio krūvis, lygus elemento eilės numeriui periodinėje sistemoje. Elektronai sukasi apie branduolį, kitaip jis juos prisitrauktų, nes branduolys elektronus veikia Kulono jėga. Šis modelis pavadintas Planetiniu atomo modeliu.
Planetinis atomo modelis negalėjo paaiškinti atomo egzistavimo. Judėdami orbitomis, elektronai juda su pagreičiu. Pagal Maksvelio elektrodinamiką, su pagreičiu judantis elektros krūvis skleidžia elektromagnetines bangas, o tuo pačiu netenka energijos ir turi priartėti prie branduolio ir nukristi į jį. Tačiau taip neatsitinka. Atomai yra pastovūs ir nesužadinti gali egzistuoti neribotai ilgai, neskleisdami elektromagnetinių bangų.
tags: #branduolio #stabilumo #priklausomybe #nuo #protonu #ir