Химия в XX в., возникновение радиохимии (Кюри-Склодовская)

Введение

История развития химии в начале XX века — это не просто череда частных открытий, а смена самого способа говорить о материи. На рубеже XIX–XX веков химия по-прежнему опиралась на классическое представление об атоме как о минимальной, неделимой частице вещества. Элемент трактовался как устойчивая, раз и навсегда заданная сущность: железо остаётся железом, радий остаётся радием, уран остаётся ураном. Химические реакции понимались как перестановка атомов, но не как изменение самих атомов. Такое представление соответствовало логике периодического закона Менделеева и долго казалось незыблемым [9].
Однако именно в этот период начали появляться факты, которые не укладывались в прежние рамки. Исследования радиоактивности, начатые Анри Беккерелем и продолженные Марией Склодовской-Кюри, показали, что некоторые элементы способны самопроизвольно испускать излучение и превращаться в другие элементы. Это означало, что атом не является абсолютно устойчивым и «замкнутым на самого себя» объектом, а вещество в природе оказывается динамичным и историчным: один элемент может переходить в другой, минуя привычные химические реакции [6; 14]. Появилась новая область — радиохимия, в которой радиоактивность стала не просто странным физическим эффектом, а измеряемым и технологически используемым свойством вещества. Радиоактивные элементы научились выделять, очищать, описывать количественно, а затем применять в медицине и промышленности. Уже это ставило под сомнение классическую картину химии XIX века, поскольку допускало изменяемость химического элемента как такового.
Следующий шаг был сделан в физике атома. Опыты по рассеянию αчастиц, проведённые Эрнестом Резерфордом, привели к формированию ядерной модели атома: внутри каждого атома существует чрезвычайно плотное, положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса, а электроны образуют внешнюю оболочку [10; 11; 12]. Это открытие дало ключ к пониманию радиоактивности как ядерного процесса. Стало ясно, что превращение элемента в другой — не «химический фокус», а результат изменения заряда и состава ядра. Тем самым понятие «химический элемент» оказалось привязанным уже не только к внешним свойствам вещества, но к структуре ядра и его устойчивости. Это был момент, когда химия и физика впервые были вынуждены говорить на одном языке.
Однако ядерная модель имела внутреннее противоречие. С точки зрения классической электродинамики электрон, движущийся вокруг ядра, должен был бы излучать энергию и падать на ядро за ничтожное время. В то же время реальные атомы существуют сколь угодно долго, а их спектры излучения не непрерывны, а дискретны: каждый элемент даёт свой «набор линий», подобно подписи. Эти трудности были сняты Нильсом Бором. В 1913 году он предложил квантово-планетарную модель атома, в которой электроны допускаются только на определённые стационарные уровни энергии и не излучают в этих состояниях, а излучение света происходит только при скачкообразных переходах между уровнями [1; 5]. Модель Бора одновременно объяснила устойчивость атома, структуру спектров и природу химической индивидуальности элементов через их электронную оболочку. Именно здесь происходит окончательное соединение трёх линий: радиохимия показывает изменчивость атома, ядерная модель объясняет источник этой изменчивости, квантовая модель объясняет устойчивость и закономерность этой системы.
Таким образом, в течение примерно трёх десятилетий — от конца XIX века до начала 1920-х годов — химия перестала быть наукой только о химических реакциях и стала наукой о строении и внутренней динамике атома. Периодический закон получил физическое основание в заряде ядра и заполнении электронных уровней, а радиохимия стала рассматриваться не как экзотика, а как часть общей атомной теории вещества [1; 2; 12; 14]. Именно это превращение является предметом настоящего реферата.
Цель работы — проследить, как исследования радиоактивности, опыт рассеяния α-частиц и квантовая модель атома формируют единую научную линию, приведшую к современной атомной теории и изменившую саму химию как дисциплину.
Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:
1. Проанализировать становление радиохимии как новой области знаний на рубеже XIX–XX веков, показать, как работы Марии СклодовскойКюри превратили радиоактивность из «физического курьёза» в объект целенаправленного химического исследования, связанного с выделением и описанием новых элементов.
2. Показать, как опыты Эрнеста Резерфорда по рассеянию α-частиц привели к формированию ядерной модели атома, объяснили природу радиоактивного распада и сделали возможным трактовать химический элемент как состояние ядра с определённым зарядом, а не как абсолютно неизменную сущность.
3. Охарактеризовать модель Нильса Бора как квантово-планетарную модель атома, объяснившую устойчивость атома, дискретность спектров излучения и связь электронной оболочки с химическими свойствами, периодическим законом и валентностью, то есть как модель, завершившую первую фазу перестройки химии в XX веке.
Структурно работа состоит из трёх глав, каждая из которых посвящена одному из этих шагов. Первая глава рассматривает рождение радиохимии и появление принципиально нового взгляда на элемент как на динамический объект. Вторая глава анализирует ядерную модель атома и формирование представления о ядре как физической реальности. Третья глава посвящена квантовой модели атома Бора и её значению для химии XX века, в том числе для объяснения причин устойчивости атома, природы химической связи и периодичности свойств элементов.

Список использованной литературы

1. Бор Н. Строение атомов и свойства элементов. Лекции, прочитанные в 1922 г. / Н. Бор. — М.; Л.: Государственное издательство, 1930. — 184 с.
2. Бор Н. Атомная теория и описание природы / Н. Бор. — М.: ИЛ, 1961. — 248 с.
3. Воробьёв В. М. История открытий в области радиоактивности / В. М. Воробьёв. — М.: Наука, 1983. — 176 с.
4. Гончарук В. В. Радиохимия: становление, предмет и задачи / В. В. Гончарук // Вестник химии и химической технологии. — 2014. — Т. 57, № 5. — С. 3–12. — Текст: электронный.
5. Куземский А. Л. Нильс Бор и рождение квантовой модели атома / А. Л. Куземский // Успехи физических наук. — 2013. — Т. 183, № 6. — С. 623–646. — Текст: электронный.
6. Кюри М. Радиоактивность / М. Кюри; пер. с фр. — М.: ИЛ, 1961. — 452 с.
7. Кюри М. Исследования радиоактивных веществ / М. Кюри. — М.: Наука, 1967. — 320 с.
8. Кюри М., Кюри П. О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке / М. Кюри, П. Кюри // Журнал физической химии. — 1904. — Т. 36, № 2. — С. 5–15. — Текст: электронный.
9. Лебедев В. И. История химии XX века: от электронной теории к ядерной химии / В. И. Лебедев. — М.: Академкнига, 2005. — 312 с.
10. Резерфорд Э. Радиоактивные превращения / Э. Резерфорд; пер. с англ. — М.; Л.: Госиздат, 1925. — 240 с.
11. Резерфорд Э. Рассеяние α-частиц и строение атома / Э. Резерфорд // Успехи физических наук. — 1920. — Т. 1, № 1. — С. 5–32. — Текст: электронный.
12. Струве К. В. Ядерная модель атома: Резерфорд, Бор и становление атомной физики / К. В. Струве. — М.: Физматлит, 2002. — 208 с.
13. Широков Ю. М., Юдин Н. П. Строение атома и атомное ядро / Ю. М. Широков, Н. П. Юдин. — М.: Физматгиз, 1958. — 364 с.
14. Яковлев А. Н. Мария Склодовская-Кюри и рождение радиохимии / А. Н. Яковлев // Радиохимия. — 2004. — Т. 46, № 2. — С. 97–111. — Текст: электронный.