26-3 Trubicové lúče a izotopy

26-3 Trubicové lúče a izotopy

Kým katódové lúče Thomsona viedli k objaveniu elektrónu, tak zatiaľ trubicové lúče poskytli veľkú pomoc k pochopeniu vnútornej štruktúry atómu. Thomsonova trubica, pomocou ktorej skúmal atómy, bola miernou úpravou katódovej trubice na zmeranie pomeru e∕m v prípade elektrónu (obr. 26.1). V trubici je veľmi malé množstvo plynu, a keď sa s  molekulami zrazia rýchlo sa pohybujúce elektróny, tie z nich nejaké ióny vyrazia, čím molekuly plynu sa stanú kladne nabitými iónmi, ktoré sa v trubici urýchlia. Pomer hmotnosti a elektrického náboja týchto ionizovaných molekúl je možné určiť z ich vychýlenia po prechode kombinovaným elektrickým a magnetickým poľom, ktoré sú v trubici vzájomne rovnobežné.

Pri určovaní merného náboja e∕m elektrónu Thomson použil elektrické a magnetické pole, ktoré boli na seba kolmé a vzájomne vyrušili silové pôsobenia na elektrón pri jeho určitej rýchlosti. Ak sa vrátime naspäť a pozrieme sa na oddiel 21-4 kapitoly 21 vidíme, že je to možné len preto, lebo vo zväzku má každý elektrón rovnakú rýchlosť, každý elektrón začal zrýchľovať pri katóde, medzi katódou a anódou ich urýchlil ten istý rozdiel elektrického potenciálu.

Prípad kladných iónov molekúl plynu je iný. Kým molekuly neónu sú elektricky neutrálne, elektrické pole na nich nepôsobí. Ionizáciu molekúl vyvolajú elektróny uvoľnené z katódy po tom, čo získali dostatočnú energiu – potom sa ešte musia zraziť s molekulou neónu, k čomu môže dôjsť kdekoľvek. Dôsledkom toho niektoré kladné ióny budú urýchlené elektrickým poľom anódy a katódy len na krátkom úseku, iné zase skoro na celom úseku, zase iné len od stredu urýchľovacieho elektrického poľa. Trubicový lúč teda pozostáva z iónov úplne odlišných rýchlostí.

Kvôli tomu sa ale nebudeme vzrušovať, lebo sa dá ukázať, že lúč pozostávajúci z  kladných iónov s rovnakým elektrickým nábojom a s rovnakou hmotnosťou, ale s  odlišnou rýchlosťou dopadajú na tienidlo tak, že miesta dopadu vytvoria parabolu (v závislosti od rýchlosti ióny dopadajú do rôznych častí svietiacej paraboly na obrazovke). Tvar paraboly závisí od pomeru hmotnosti náboja kladného iónu, a tento pomer hmotnosti a náboja sa dá po zmeraní geometrických parametrov paraboly ľahko vypočítať.

Thomson naplnil trubicu riedkym plynom neónu a určil hmotnosť častíc v neónovom plyne. Predpokladal, že jeho meranie potvrdí známu atómovú hmotnosť neónu 20,182. Namiesto toho však dostal len hodnotu 20,0, ktorá aj po zohľadnení presnosti bola podstatne nižšia hodnota. Táto odchýlka sa vysvetlil, keď si Thomson všimol, že lúč neónových molekúl prechádzajúcich elektrickým a magnetickým poľom sa rozštiepil na tri časti. (Tretiu časť v skutočnosti objavil Thomsonov spolupracovník F.W. Aston⁵ pomocou zdokonaleného prístroja). V hlavnej časti sa nachádza 90,5% molekúl neónu, ktorých atómová hmotnosť je 20,0. V druhej časti sa nachádza 9,5% molekúl neónu, ktorých atómová hmotnosť je 22,0, kým v tretej časti sa nachádza len 0,3% molekúl, ktorých atómová hmotnosť je 21,0.

To bolo mimoriadne zaujímavé! Thomson teda našiel tri typy atómov neónu, ktorých chemické vlastnosti sú rovnaké, majú aj rovnaké spektrum vyžarovania, líšia sa len hmotnosťou. Naviac, ich atómová hmotnosť je skoro presne celé číslo. Neónový plyn v prírode je vlastne zmesou týchto troch typov atómov neónu, a chemická atómová hmotnosť je priemernou hmotnosťou atómových hmotností.

Tieto atómy neónu odlišnej hmotnosti nazvali izotopmi neónu, čo v gréčtine znamená „rovnaké miesto“, čím sa narážalo na to, že v periodickej tabuľke prvkov atómy neónu všetkých troch hmotností zaujímajú to isté miesto. Jednoduchým výpočtom – vychádzajúc z výsledkov Thomsona – sa môžeme presvedčiť o pravdivosti tvrdenia o priemernej hmotnosti

Mi už vieme, že aký je rozdiel medzi tromi izotopmi neónu. Nakoľko atómové číslo neónu je 10 (Z = 10), v každom jadre neónu musí byť 10 protónov. Pokiaľ by počet protónov nebol 10, potom by bol iný aj počet elektrónov v  elektrónovom obale (čo určuje chemické vlastnosti), a mali by sme do činenia s  iným chemickým prvkom. Na základe zistených hmotností je v jadre izotopu neón 20 celkom 20 − 10 = 10 neutrónov, v jadre neón-21 je 21 − 10 = 11 neutrónov, kým v  jadre neónu-22 je 22 − 10 = 12 neutrónov.

Označovanie rôznych izotopov nejakého chemického prvku má prísny poriadok. Pred chemickú značku prvku, dole (dolný index) píšeme atómové číslo, či protónové číslo prvku (Z), ktoré je rovné počtu protónov v jadre. Pred chemickú značku prvku, ale hore (horný index) píšeme hmotnostné číslo, čo je súčtom počtu protónov a neutrónov v jadre, čo jednoduchšie nazývame nukleónové číslo – nukleón je spoločné pomenovanie protónu a neutrónu. Trojicu spomenutých izotopov neónu teda môžeme zapísať takto: 1020Ne, 1021Ne, 1022Ne. (V skutočnosti dolný index atómového čísla nie je potrebný, lebo ho určuje jednoznačne chemická značka; ak prvok je neón, protónové číslo musí byť 10. Predsa často takéto značenie používame pre naše pohodlie – nepamätáme si pre všetky prvky ich protónové čísla.)

Thomsonovu pôvodnú aparatúru zdokonalil Aston, A.J. Dempster a K.T. Bainbridge; moderné hmotnostné spektrometre sú schopné zmerať hmotnosť izotopov s veľkou presnosťou.

Výskumy ukázali, že väčšina prvkov je zmesou niekoľkých izotopov. Kým v prípade niektorých prvkov 100 % predstavuje jediný izotop (napr. zlato a jód) v  mnohých iných prípadoch (napr. chlór, zinok) je zastúpenie rôznych izotopov porovnateľné. Zastúpenie niektorých izotopov v ukazuje tabuľka 26.1.