Þjóðviljinn - 01.07.1955, Page 5

Föstudagur 1. júlí 1955 — ÞJÖÐVILJINN — (5
Þetta er þriðja grein í
gTeinaflokki Óskars B.
Bjarnasonar efnaverkfræð-
ings um undirstöðuþekkingu
nútímavísinda á „innri gerð
efnisins“.
Það er langt síðan menn
gerðu sér þess grein að allt
efni hlyti að vera gert úr að-
greindum ögnum, frumeindum
eða atómum.
Þessi hugmynd kom fram
þegar fyrir um 2400 árum
hjá hinum gríska spekingi
Demokritosi og ef til vill einn-
ig hjá fyrirrennara hans og
kennara.
Aristóteles féllst ekki á
frumeindakenningu Demokrit-
osar og var það skaði því
heimspeki Aristótelesar varð
ríkjandi heimsskoðun á Vest-
urlöndum í meir en þúsund
ár.
Frumeindakenning 19. ald-
arinnar sem kennd er við
Englendinginn Dalton gerir
ráð fyrir að atómin séu á-
þekk hörðum smákúlum, ó-
deilanleg og öll eins fyrir
hvert frumefni. Samkvæmt
því áttu tegundir frumeinda
að vera jafnmargar frumefn-
unum.
Undir lok 19. aldar fór
mönnum að verða ljóst að at-
ómin gætu ekki verið ódeil-
anleg heldur samsett úr
smærri eindum.
Árið 1887 kom Svíinn
Svante Arrhenius fram með
kenninguna um klofnun sam-
einda í vatnslausnum sem
leiða rafmagn. Samkvæmt
þeirri kenningu eru hin upp-
leystu efni klofin í rafmögn-
uð atóm og rafeindir hlutu
því að vera hluti atóma.
Skipun frumefnanna í kerfi.
Þó að frumefnin séu ólík
hvert öðru að eiginleikum og
myndi hin fjölbreytilegustu
efnasambönd er fjölbreytnin
þó enganveginn tilviljun háð,
heldur er hún bundin vissum
reglum og föstu kerfi sem
kemur af því að frumefnin
eru öll byggð upp á sama
hátt og kemískir eiginleikar
þeirra eru einkum háðir nið-
urröðun ytri rafeinda atóm-
anna.
Ef frumefnunum er raðað nið
ur í töflu eftir vaxandi fjölda
rafeinda utan um kjarnann
koma með vissu millibili fram
frumefni með áþekkum eigin-
leikum. Frumefni nr. 3-11 og
19 hafa t.d. öll svipaða eig-
Harold Urey
bandarískur eðlisfræðingur,
• uppgötvari „þunga vatnsins“.
inleika. Það eru hinir svo-
nefndu alkalímálmar, litíum,
natríum og kalium. Sama er
að segja um frumefni nr. 2-
10-18-36 o. s. frv. Þetta eru
hinar óvirku lofttegundir:
helíum, neofí, orgon, krypfön,
sem ekki mjmda nein kemísk
sambönd við önnur efni.
Það var rússneski efnafræð-
ingurinn Mendeléef sem upp-
götvaði fyrstur manna þetta
kerfi frumeindanna, árið 1869.
Hann raðaði frumefnunum að
vísu ekki eftir fjölda ytri raf-
einda, því rafeindir voru þá
enn ekki þekktar. Hann rað-
aði efnunum eftir vaxandi
frumeindaþyngd og gefur það
í aðalatriðum sömu niður-
stöðu. Á stöku stað varð
hann þó að breyta ofurlítið út
af röðinni eftir þyngd til þess
að fá fulit samræmi.
í kerfi Mendeléefs voru
mörg auð sæti og sagði hann
fyrir um að þau mundu sam-
svara frumefnum sem þá voru
óþekkt. Og ekki einungis
það, heldur gat hann einnig
sagt fyrir eiginieika hinna ó-
þekktu efna með mikilli ná-
kvæmni.
Þessar spár Mendeléefs
vöktu mikla furðu. Að vísu
mátti geta sér til um að til
kynnu að vera óþekkt frum-
efni, en að hægt væri að segja
fyrir eiginleika þeirra, eðlis-
þyngd, bræðslumark, hörku
og hverskonar efnasambönd
þau mynduðu, það hafði víst
fáum dottið í hug.
En það furðulegasta var þó
að þessar spár Mendeléefs
reyndust réttar. Mörgum ár-
um síðar fundust hin nýju
frumefni og höfðu einmitt þá
eiginleika sem hann hafði
lýst. Skýringarnar á hinum
kerfisbundnu breytingum í
eiginleikum frumefnanna feng
ust að verulegu leyti með
frumeindakenningu Bohrs ár-
ið 1913.
Frumeindakenning Bohrs
og Kutherfords.
Árið 1911 hafði Rutherford
haldið því fram að atómin
væru gerð af pósitíft rafhlöðn
um kjarna er væri mjög lítill
í samanburði við allt rúmmál
atómsins og utan um kjarn-
ann sveimuðu rafeindir, jafn-
margar hinum viðlægu hleðsl-
um kjarnans.
Þessi kenning Rutherfords
sem var byggð á mjög merk-
um tilraunum sem hann hafði
gert mætti mjög mikilli mót-
spyrnu og var það raunar
eðlilegt, því samkvæmt hinni
klassísku eðlisfræði gat hún
ekki staðizt.
Atóm sem svo væri gert
hlyti að senda stöðugt frá sér
geislun og jafnframt hlyti
rafeindin að nálgast kjam-
ann eftir spírallaga braut og
falla loks niður á hann.
Niels Bohr leysti úr þessum
znótsögnum árið 1913 með
Mendeléef
rússneskur brautryðjandi í
eðlisfræði.
hinum frægu tveim grundvall-
arsetningum sínum: I. Atómið
getur aðeins verið til í viss-
um jafnvægisstöðum eða: raf-
eind sem snýst um atóm-
kjarnann eftir ákveðinni
braut, útsendir enga geislun.
II. Sérhver geislun sem at-
ómið sendir frá sér kemur
fram við það að atómið
flytzt úr einni jafnvægisstöðu
í aðra eða: útgeislun frá at-
óminu kemur fram við það
að rafeind stekkur frá ytri
braut á innri og um þessa
geislun gildir Planks lögmál
(sem elíki er rætt nánar hér).
Eftir þessu var hægt að
reikna bylgjulengdir liinna
mismunandi líria í litrófi efn-
anna og komu þær heim við
mælingar.
Hið geníala við þessa lausn
Bohrs er eiginlega það að
hann gerir sér 1 jóst að hin
venjulegu eðlisfræðilögmál
gilda ekki um atómið. Ef
fræðikenningin er í ósamræmi
við fyrirbæri náttúrunnar,’
þá er það fræðikenningin sem
þarf endurbóta við.
Samkvæmt frumeindakenn-
ingu Bohrs og Rutherfords
eru frumeindirnar gerðar af
pósitíft rafhlöðnum kjarna og
negatíft hlöðnum rafeindum
sem sveima umhverfis kjarn-
an eftir ákveðnum brautum.
Hinar viðlægu rafhleðslur
kjarnans ei*u jafnmargar hin-
um ytri rafeindum þannig að
frumeindin er órafrrtögnuð út
á við. Mestallur massi eða
þungi frumeinda er saman-
kominn í kjarna þeirra. Hver
rafeind vegur rúmlega einn
tvöþúsundasta hluta af þunga
vetnisfrumeindarinnar. En
vetni er léttast allra frum-
efna og einfaldast að gerð.
Frumeindirnar eru gerðar úr
smærri eindum.
Vetniskjaminn, sem einnig
nefnist prótóna, hefur eina
viðlæga rafhleðslu og um hann
sveimar ein rafeind.
Vetniskjamar eða prótónur
em einnig hluti allra annama
frumeindakjarna.
Prótónur án hleðslu em
einnig hluti af öllum fmm-
eindakjömum og nefnast þær
nevtrónur (neindir). Saman-
lagður f jöldi prótóna og neinda
í kjarnanum er hérumbil hið
sama og massi eða þungi
frumeindarinnar, frumeindar-
þunginn eða atómþunginn.
Fjöldi prótóna í kjarnanum
nefnist atómtala eða atómnúm-
er frumefnis. Atómtalan er
einnig hið sama og fjöldi ytri
rafeinda, . en kemiskir eigin-
leikar e’fnisins eru komnir
undir fjölda og dreifingu ytri
rafeinda
Neindir eru eins og áður var
sagt hluti af kjörnum frum-
eindanna. Þær hafa sama
massa og prótónur eða vetn-
iskjamar en eru óhlaðnar.
Þessar efniseindir voru fyrst
uppgötvaðar árið 1932 af
prófessor Chadwich í Cam-
bridge, en hafa síðan verið að-
alpersónur, ef svo mætti segja,
í öllum tilraunum til að kljúfa
frumeindir efnisins. Neindir
reyndust hin heppilegustu
skeyti til þeirra hluta, einmitt
vegna þess að þær eru óhlaðn-
ar og geta því komizt alveg
inn að kjarna frumeindanna án
þess að verða fyrir fráhrind-
ingu frá hinni sterku pósitífu
hleðslu kjarnans. Og það eru
eínmitt neindir sem valda
klofningu frumefnisins úrani-
ums í kjarnorkusprengjum og
í úraníum kjarnorkuhlöðum
þar sem nokkur hluti efnisins
breytist í geysilegt magn orku.
Allir frumeindakjarnar með
sömu atómtölu hafa sömu
efnafræðilegu eiginleika, þ.e.
heyra til sama frumefni.
Hinsvegar eru ekki ætíð jafn-
margar neindir í öllum frum-
eindakjörnum sama frumefnis;
eða: það eru til misþung af-
brigði sama frumefnis. — Við
höfum þegar nefnt þrennskon-
ar frumagnir efnisins: Prótón-
ur, nevtrónur og rafeindir.
Nokkrar fleiri slíkar eindir
eiai þekktar. Svo virðist sem
vetniskjarninn, prótónan, geti
klofnað í smærri einingar, svo
nefndar mesónur, sem geta
haft ýmist viðlæga eða frá-
dræga rafhleðslu og einnig
mismunandi massa.
Rafeindir hafa neikvæða
hleðslu eins og oft hefur verið
tekið fram, en til eru einnig
rafeindir með jákvæða hleðslu,
en sama massa og rafeindir,
þær nefnast pósitrónur eða
pósitífar rafeindir.
Pósitrónurnar uppgötvaði
Bandaríkjamaður að nafni C.
D. Anderson í Kaliforniu árið
1932.
Við höfum talað um vetnis-
kjarna með jákvæðri raf-
hleðslu, prótónur og vetnis-
kjarna án hleðslu eða nevtrón-
ur.
Vel mætti hugsa sér að til
væru einnig vetniskjarnar með
neikvæðri rafhleðslu, negatíf-
ar prótónur, en slíkar efnis-
agnir hafa ekki fundizt hing-
að til.
Árið 1815 kom enskur mað-
ur (Prout að nafni) fram með
þá tilgátu að öll frumefni væru
gerð af vetni, léttasta frum-
efninu. Sjálfsögð afleiðing af
því virtist vera að frumeinda-
þungi allra annarra frumefna
væri einfalt margfeldi af frum-
eindaþunga vetnisins. Þegar
menn lærðu að ákveða þunga
frumeindanna nákvæmlega,
reyndist þetta þó ekki vera svo
og var tilgátan því talin af-
sönnuð.
Samkvæmt nátíma þekkingu
á gerð frumeindanna virðist
þetta þó mega til sanns vegar
færa, þar sem prótónur eru
einmitt hluti allra frumeinda-
kjarna.
Þungt vatn.
Þess hefur verið getið hér á
undan að til eru misþungar
gerðir sama frumefnis, sem
nefnast isótópur þess og nefna
mætti samstæður eða samsæt-
ur á íslenzku.
Mismunandi samstæður
sama frumefnis hafa sömu
kemisku eiginleika, en lítiis
háttar munur er á fysiskum
eiginleikum, sem stafar af
mismun í þunga kjamanna.
Mismunur samstæðna verður
einkum verulegur hjá léttum
frumefnum. Þungamunur get-
ur ekki numið minna en einni
neind og þessi munur í þyngd
hefur þeim mun meiri áhrif á
eiginleika efnisins sem kjarni
þess er minni. Sérstaklega mik-
ill verður þessi munur fyrir
mismunandi tegundir vetnis.
Venjulegt vatnsefni hefur eina
prótónu í kjarnanum, en
þungt vatnsefni hefur eina
nevtrónu að auki svo að
kjarninn verður tvöfalt þyrigri.
Mismunurinn á eiginleikum
þessara tveggja vetnisísó-
tópa er svo tiltölulega mik-
ill. Þurigt vatn hefur t. d.
eðlisþ. 1.1 (1.106), bræðslu-
mark 2.8 °C og suðumark
101.4°. Þungt vatn hefut*
mesta eðlisþyngd við 11.6° —■
en venjulegt vatn hefur mesta
eðlisþyngd við 4°. Auk þess
hefur þungt vatn eiturverkan-
ir sem venjulegt vatn hefur
ekki. I venjulegu uppsprettu-
vatni eru um 30 mg. í tonni af
þungu vatni og er hægt að
vinna það úr því með rafklofn-
ingu (elektrólýsu). Það er
þó mismunandi hve miltið a£
Framhald á 7. síðu.
Sprenging úranskjarna við 4«
hrif frá nevtrónu. Kjarninm
skiptist í tvennt. Um leið losna
tvær — þrjár nýjar nevtrónur.
Ein nevtróna veldur keðju-
svörun, sem nær til gífurlegss
fjölda atóma.
Óskar B. Bjarnason, eínaverkíræðingur:
Timri gerð efnisins