Atomteori er den videnskabelige teori om, at stof består af partikler kaldet atomer . Teorien om atomet har sin oprindelse i den gamle filosofiske tradition kendt som atomisme . Ifølge denne idé, hvis du tager et stykke stof og skærer det i mindre og mindre stykker, vil det til sidst nå et punkt, hvor stykkerne ikke kan skæres i noget mindre. Gamle græske filosoffer kaldte disse hypotetiske endelige partikler af stof for atomer , hvilket betyder "uskårne".
I begyndelsen af 1800-tallet bemærkede videnskabsmanden John Dalton , at kemikalier syntes at kombinere og nedbrydes til andre stoffer efter vægt. Nogle har foreslået, at hvert kemisk element i sidste ende består af små, udelelige partikler med konstant vægt. Kort efter 1850 udviklede nogle fysikere den kinetiske teori om gasser og varme, som matematisk beskrev gassers adfærd, idet de antog, at de var sammensat af partikler. I begyndelsen af det 20. århundrede beviste Albert Einstein og Jean Perrin , at Brownsk bevægelse (den tilfældige bevægelse af pollenkorn i vand) er forårsaget af virkningen af vandmolekyler ; denne tredje linje af beviser forstummede videnskabsmænds tilbageværende tvivl om, hvorvidt atomer og molekyler faktisk eksisterer. I løbet af det nittende århundrede advarede nogle videnskabsmænd om, at beviserne for eksistensen af atomer var indicier, og derfor kan atomer måske ikke være virkelige, men kun ser ud til at være virkelige.
I begyndelsen af det 20. århundrede havde videnskabsmænd udviklet ret detaljerede og nøjagtige modeller af stofstrukturen, hvilket førte til en mere stringent klassificering af de små, usynlige partikler, der udgør almindeligt stof. Et atom er nu defineret som den grundlæggende partikel, der udgør et kemisk grundstof . Omkring begyndelsen af det 20. århundrede opdagede fysikere, at de partikler, som kemikere kaldte "atomer", faktisk var agglomerationer af endnu mindre partikler ( subatomære partikler ). Nu bruges udtrykket elementarpartikel til at henvise til faktisk udelelige partikler, og atomer forbliver de mindste partikler, kemisk udelelige.
Ideen om, at stof består af individuelle enheder, er meget gammel. Det dukkede op i mange gamle kulturer som Grækenland og Indien. Ordet "atom" på andet græsk. ἄτομος , der betyder "uklippet", blev opfundet af den før-sokratiske græske filosof Leucippus og hans elev Demokrit (460-370 f.Kr.) [1] [2] [3] [4] . Demokrit lærte, at antallet af atomer er uendeligt, de er uskabte og evige, og en genstands kvaliteter afhænger af typen af dets atomer. Demokrits atomisme blev perfektioneret og udviklet af den senere græske filosof Epicurus (341-270 f.Kr.) og den romerske epikuræiske digter Lucretius (99-55 f.Kr.). I løbet af den tidlige middelalder i Vesteuropa var atomismen næsten glemt. I det 12. århundrede blev det kendt igen i Vesteuropa gennem referencer til det i de nyopdagede skrifter af Aristoteles .
I det 14. århundrede førte genopdagelsen af større værker, der beskrev atomistisk lære, herunder De rerum natura af Lucretius og Om de berømte filosoffers Diogenes Laertes ' liv, lære og udsagn , til øget opmærksomhed fra videnskabsmænd til dette emne. Men da atomisme var forbundet med epikureanismens filosofi , som var i modstrid med den ortodokse kristne lære, blev troen på atomer ikke anset for acceptabel for de fleste europæiske filosoffer [3] . Den franske katolske præst Pierre Gassendi (1592-1655) genoplivede epikuræisk atomisme med modifikationer, idet han hævdede, at atomer blev skabt af Gud, og selv om de er meget talrige, er de ikke uendelige. Han var den første, der brugte udtrykket "molekyle" til at beskrive sammenlægningen af atomer [4] . Gassendis modificerede teori om atomer blev populært i Frankrig af lægen François Bernier (1620-1688) og i England af naturfilosoffen Walter Charlton (1619-1707). Kemikeren Robert Boyle (1627-1691) og fysikeren Isaac Newton (1642-1727) kæmpede for atomisme, og i slutningen af det 17. århundrede blev det accepteret af det videnskabelige samfund.
Mod slutningen af det 18. århundrede dukkede to love om kemiske reaktioner op, som ikke var relateret til begrebet atomteori. Den første var loven om bevarelse af masse , tæt forbundet med Antoine Lavoisiers arbejde , som siger, at den samlede masse i en kemisk reaktion forbliver konstant (det vil sige, at reaktanterne har samme masse som produkterne) [5] . Den anden er loven om kompositionens konstanthed . Denne lov, som først blev etableret af den franske kemiker Joseph Proust i 1797, siger, at hvis en forbindelse nedbrydes i dets kemiske grundstoffer, så vil massen af bestanddelene altid have samme vægtforhold, uanset mængden eller kilden til udgangsmaterialet [6] .
John Dalton studerede og udvidede dette tidligere arbejde og forsvarede en ny idé, senere kendt som loven om multiple forhold : hvis de samme to elementer kan kombineres til at danne en række forskellige forbindelser, så er masseforholdet mellem de to grundstoffer i deres forskellige forbindelser vil være repræsenteret ved små heltal. Dette er et almindeligt mønster i kemiske reaktioner observeret af Dalton og andre datidens kemikere.
Eksempel 1 - Tinoxider: Dalton identificerede to tinoxider. En af dem er et gråt pulver, hvori der for hver 100 dele tin er 13,5 dele ilt. Det andet oxid er et hvidt pulver, der indeholder 27 dele ilt for hver 100 dele tin [7] . 13,5 og 27 danner et forhold på 1:2. Disse oxider er i dag kendt som henholdsvis tin(II) oxid (SnO) og tin(IV)oxid (SnO 2 ).
Eksempel 2 Jernoxider: Dalton identificerede to jernoxider. En af dem er et sort krudt, hvori der er omkring 28 dele ilt for hver 100 dele jern. Den anden er et rødt pulver, hvori der for hver 100 dele jern er 42 dele ilt [8] , 28 og 42 danner et forhold på 2:3. Disse oxider er i dag kendt som jern(II)oxid (bedre kendt som wüstite ) og jern(III)oxid (hovedbestanddelen af rust). Deres formler er henholdsvis FeO og Fe 2 O 3 .
Eksempel 3 - Nitrogenoxider: Der er tre nitrogenoxider, som indeholder henholdsvis 80 g, 160 g og 320 g oxygen for hver 140 g nitrogen, hvilket giver et forhold på 1:2:4. Disse er henholdsvis lattergas (N 2 O), nitrogenoxid (NO) og nitrogendioxid (NO 2 ).
Dette tilbagevendende mønster tyder på, at kemikalier ikke reagerer i vilkårlige mængder, men i multipla af en grundlæggende udelelig masseenhed.
I sine skrifter brugte Dalton udtrykket "atom" til at henvise til den grundlæggende partikel af ethvert kemisk stof , og ikke strengt taget til grundstofferne, som det er almindeligt i dag. Dalton brugte ikke ordet "molekyle"; i stedet brugte han udtrykkene "sammensat atom" og "elementært atom" [9] . Dalton foreslog, at hvert kemisk element bestod af en unik type atom, og selvom de ikke kunne ændres eller ødelægges med kemiske midler, kunne de kombineres i mere komplekse strukturer for at danne kemiske forbindelser . Dette markerede den første virkelig videnskabelige teori om atomet, da Dalton nåede frem til sine konklusioner gennem eksperimenter og empirisk undersøgelse af resultaterne.
I 1803 henviste Dalton til en liste over relative atommasser for en række stoffer i en tale for Manchester Literary and Philosophical Society om opløseligheden af forskellige gasser såsom kuldioxid og nitrogen i vand. Dalton specificerede ikke, hvordan han udledte de relative vægte, men foreslog først, at ændringen i opløselighed skyldtes forskelle i gaspartiklernes masse og kompleksitet, en idé han havde opgivet, da papiret endelig blev offentliggjort i 1805 [ 10] . I årenes løb har flere historikere forbundet udviklingen af Daltons atomteori med hans undersøgelse af gasopløselighed, men en nylig undersøgelse af hans laboratorienotesbog viser, at han udviklede en kemisk atomteori i 1803 for at forene Cavendish og Lavoisiers analytiske data om sammensætningen af salpetersyre, og ikke for at forklare opløseligheden af gasser i vand [11] .
Thomas Thomson offentliggjorde det første resumé af Daltons teori om atomet i den tredje udgave af hans bog The System of Chemistry [12] . I 1808 offentliggjorde Dalton en mere udførlig redegørelse i den første del af New System of Chemical Philosophy [13] . Det var dog først i 1811, at Dalton underbyggede sin teori om flere proportioner [14] .
Dalton vurderede atomvægte i henhold til de masseforhold, hvori de samlede sig, med brintatomet taget som ét. Dalton antog dog ikke, at nogle grundstoffer er atomer i molekyler - for eksempel findes ren oxygen i form af O 2 . Han antog også fejlagtigt, at den enkleste binding mellem to grundstoffer altid var en tilstand med et atom af hvert grundstof (derfor troede han, at vand var HO, ikke H 2 O) [15] . Dette, ud over unøjagtighederne i hans udstyr, plettede hans resultater. For eksempel troede han i 1803, at oxygenatomer er 5,5 gange tungere end hydrogenatomer, da han i vand målte 5,5 gram oxygen for hvert 1 gram brint og troede, at formlen for vand er H2O. Med bedre data kom han i 1806 til den konklusion, at iltens atomvægt faktisk skulle være 7, ikke 5,5, og denne vægt beholdt han resten af sit liv. Andre forskere på det tidspunkt havde allerede konkluderet, at et oxygenatom skulle veje 8 i forhold til brint, lig med 1, hvis vi accepterer Dalton-formlen for vandmolekylet (HO), eller 16, hvis vi accepterer den moderne formel for vand (H) 20 ) [16] .
En fejl i Daltons teori blev rettet i 1811 af Amedeo Avogadro . Avogadro foreslog, at lige store volumener af to gasser ved samme temperatur og tryk indeholder lige mange molekyler (med andre ord, massen af gaspartikler påvirker ikke det volumen, den optager) [17] . Avogadros lov tillod ham at fastslå den diatomiske karakter af mange gasser ved at studere de volumener, hvormed de reagerede. For eksempel: da to liter brint reagerer med kun en liter ilt og danner to liter vanddamp (ved konstant tryk og temperatur), betyder det, at ét iltmolekyle deler sig i to dele og danner to partikler vand. På denne måde var Avogadro i stand til at tilbyde mere nøjagtige estimater af atommassen af ilt og forskellige andre grundstoffer og at skelne mellem molekyler og atomer.
I 1827 bemærkede den britiske botaniker Robert Brown , at støvpartikler inde i pollenkorn, der flød i vand, konstant svingede uden nogen åbenbar grund. I 1905 foreslog Albert Einstein , at denne Brownske bevægelse var forårsaget af vandmolekyler, der kontinuerligt skubbede partikler, og udviklede en hypotetisk matematisk model til at beskrive den [18] . Denne model blev eksperimentelt bekræftet i 1908 af den franske fysiker Jean Perrin , hvilket gav yderligere støtte til teorien om partikler (og i forlængelse heraf teorien om atomet).
Atomer blev betragtet som det mindste strukturelle element i stof indtil 1897, hvor J. J. Thomson opdagede elektronen i sit arbejde med katodestråler [19] .
Et Crookes-rør er en forseglet glasbeholder, hvori to elektroder er adskilt af et vakuumgab. Når der påføres en spænding til elektroderne , genereres katodestråler, hvilket skaber et glødende sted, hvor de rammer glasset i den modsatte ende af røret. Gennem eksperimenter opdagede Thomson, at stråler kan afbøjes af et elektrisk felt (ud over de allerede kendte magnetfelter ). Han kom til den konklusion, at disse stråler ikke var en form for lys, men var sammensat af meget lette , negativt ladede partikler, som han kaldte " korpuskler " (senere omdøbt til elektroner af andre videnskabsmænd). Han målte forholdet mellem masse og ladning og fandt ud af, at det var 1.800 gange mindre end brint, det mindste atom. Disse blodlegemer var partikler ulig nogen andre kendte før.
Thomson foreslog, at atomer er delelige, og at blodlegemer var deres byggesten [20] . For at forklare atomets overordnede neutrale ladning foreslog han, at blodlegemerne var fordelt i et ensartet hav af positiv ladning; dette var blommebudding- modellen [21] , fordi elektronerne var nedsænket i en positiv ladning, ligesom rosiner i en blommebudding (selvom de ikke var stationære i Thomson-modellen).
Thomsons blommebuddingmodel blev tilbagevist i 1909 af en af hans tidligere elever, Ernest Rutherford , som fandt ud af, at det meste af atomets masse og positive ladning var koncentreret i en meget lille del af dets volumen, som han antog var i centrum.
Ernest Rutherford og hans kolleger Hans Geiger og Ernest Marsden stillede spørgsmålstegn ved Thomsons model, efter at de havde svært ved at bygge et instrument til at måle ladning-til-masse-forholdet af alfapartikler (disse er de positivt ladede partikler, der udsendes af visse radioaktive stoffer, såsom radium ). Alfapartiklerne blev spredt af luften i detektorkammeret, hvilket gjorde målingerne upålidelige. Thomson stødte på et lignende problem i sit arbejde med katodestråler, som han løste ved at skabe et næsten perfekt vakuum i sine instrumenter. Rutherford troede ikke, at han ville løbe ind i det samme problem, fordi alfapartikler er meget tungere end elektroner. Ifølge Thomsons model af atomet er den positive ladning i et atom ikke koncentreret nok til at skabe et elektrisk felt, der er stærkt nok til at afbøje en alfapartikel, og elektroner er så lette, at de let burde kunne afvises af meget tungere alfapartikler. Der var dog spredning, så Rutherford og hans kolleger besluttede at omhyggeligt studere dette fænomen [22] .
Mellem 1908 og 1913 gennemførte Rutherford og hans kolleger en række eksperimenter, hvor de bombarderede tynde metalfolier med alfapartikler. De bemærkede, at alfapartikler afbøjede mere end 90°. For at forklare denne observation foreslog Rutherford, at den positive ladning af et atom ikke er fordelt over hele atomet, som Thomson troede, men er koncentreret i en lille kerne i midten. Kun en sådan intens ladningskoncentration kan skabe et elektrisk felt, der er stærkt nok til at afbøje alfapartikler, som observeret i eksperiment [22] .
Den planetariske model af atomet havde to væsentlige mangler. For det første, i modsætning til planeter, der kredser om solen, er elektroner ladede partikler. En accelererende elektrisk ladning er kendt for at udstråle elektromagnetiske bølger i henhold til Larmor-formlen i klassisk elektrodynamik . Den kredsende ladning skal konstant tabe energi og bevæge sig i en spiral mod kernen og kollidere med den på en lille brøkdel af et sekund. Det andet problem var, at planetmodellen ikke kunne forklare de observerede emissions- og absorptionsspektre for atomer med høje toppe.
Kvanteteori revolutionerede fysikken i det tidlige 20. århundrede, da Max Planck og Albert Einstein postulerede, at lysenergi blev udsendt eller absorberet i diskrete mængder kendt som kvanta . I 1913 inkorporerede Niels Bohr denne idé i sin Bohr- model af atomet, hvor elektronen kun kunne dreje rundt om kernen i bestemte cirkulære baner med fast vinkelmomentum og energi, med dens afstand fra kernen (det vil sige deres radier) være proportional med dens energi [23] . Ifølge denne model kan elektronen ikke spiral og falde ind i kernen, fordi den ikke kontinuerligt kan miste energi; i stedet kunne den kun lave øjeblikkelige " kvantespring " mellem faste energiniveauer . Når dette skete, blev lys udsendt eller absorberet med en frekvens, der var proportional med ændringen i energi (deraf de diskrete absorptions- og emissionsspektre).
Bohrs model var ikke perfekt. Hun kunne kun forudsige brints spektrallinjer ; hun kunne ikke forudsige dem for mange-elektronatomer. For at gøre tingene værre, efterhånden som den spektrografiske teknologi blev forbedret , blev der observeret yderligere spektrallinjer i brint, som Bohr-modellen ikke kunne forklare. I 1916 tilføjede Arnold Sommerfeld elliptiske baner til Bohrs model for at tage højde for yderligere emissionslinjer, men dette gjorde modellen meget vanskelig at bruge, og den kunne stadig ikke forklare mere komplekse atomer.
Mens han eksperimenterede med radioaktive henfaldsprodukter , opdagede radiokemikeren Frederick Soddy i 1913 , at der så ud til at være mere end ét grundstof i hver celle i det periodiske system [24] . Udtrykket isotop blev opfundet af Margaret Todd som et passende navn for disse elementer.
Samme år udførte J. J. Thomson et eksperiment, hvor han dirigerede en strøm af neonioner gennem magnetiske og elektriske felter på en fotografisk plade. Han bemærkede to glødende pletter på pladen, hvilket antydede to forskellige afbøjningsbaner. Thomson konkluderede, at dette var fordi nogle af neonionerne havde en anden masse [25] . Arten af denne forskellige masse ville senere blive forklaret med opdagelsen af neutroner i 1932.
I 1917 bombarderede Rutherford nitrogen med alfapartikler og observerede brintkerner, der blev udsendt fra gassen (Rutherford genkendte dem, fordi han tidligere havde opnået dem ved at bombardere brint med alfapartikler og observere brintkerner i produkter). Rutherford kom til den konklusion, at brintkerner opstod fra kernerne af nitrogenatomer selv (faktisk spaltede han nitrogen) [26] .
Rutherford vidste fra sit eget arbejde og af hans elever Bohr og Henry Moseley , at den positive ladning af ethvert atom altid kan sidestilles med ladningen af et helt antal brintkerner. Dette, koblet med atommassen af mange grundstoffer, omtrent svarende til et helt antal brintatomer, som dengang blev betragtet som de letteste partikler, førte ham til den konklusion, at brintkerner var enkeltpartikler og hovedbestanddelen af alle atomkerner. Han kaldte sådanne partikler for protoner . Yderligere eksperimenter af Rutherford viste, at kernemassen af de fleste atomer overstiger massen af de protoner, de besidder; han foreslog, at denne overskydende masse bestod af hidtil ukendte neutralt ladede partikler, som foreløbigt blev kaldt " neutroner ".
I 1928 observerede Walter Bothe , at beryllium udsendte elektrisk neutral stråling med stor gennemtrængende kraft, når det blev bombarderet med alfapartikler. Denne stråling viste sig senere at kunne slå brintatomer ud af paraffin . Det blev oprindeligt antaget at være højenergi- gammastråling , da gammastråling har en lignende effekt på elektroner i metaller, men James Chadwick fandt ud af, at ioniseringseffekten var for stærk til at blive forårsaget af elektromagnetisk stråling, forudsat at energien og momentumet holdt i vekselvirkning. I 1932 udsatte Chadwick forskellige grundstoffer som brint og nitrogen for den mystiske "beryllium-stråling", og ved at måle energierne fra tilbagespredte ladede partikler kom han til den konklusion, at denne stråling faktisk består af elektrisk neutrale partikler, der ikke kan være masseløse som gamma. stråler, men har i stedet en masse svarende til en protons. Chadwick erklærede nu, at disse partikler var Rutherford-neutroner [27] . For opdagelsen af neutronen modtog Chadwick Nobelprisen i 1935.
I 1924 foreslog Louis de Broglie , at alle bevægelige partikler - især subatomære partikler såsom elektroner - udviser en vis bølgende adfærd. Erwin Schrödinger , fascineret af denne idé, undersøgte, om en elektrons bevægelse i et atom bedre kunne forklares som en bølge frem for en partikel. Schrödinger-ligningen , udgivet i 1926 [28] , beskriver elektronen som en bølgefunktion og ikke som en punktpartikel. Denne tilgang forudsagde elegant mange spektrale fænomener, som Bohr-modellen ikke kunne forklare. Selvom dette koncept var matematisk praktisk, var det svært at visualisere og mødte modstand [29] . En af hans kritikere, Max Born , foreslog i stedet, at Schrödinger-bølgefunktionen ikke beskrev elektronen, men alle dens mulige tilstande, og dermed kunne bruges til at beregne sandsynligheden for at finde en elektron på et givet sted omkring kernen [30] . Dette forenede de to modsatrettede teorier om partikler og bølgeelektroner, og ideen om bølge-partikel dualitet blev introduceret . Denne teori sagde, at elektronen kunne udvise egenskaberne af både en bølge og en partikel. For eksempel kan den bryde som en bølge og have masse som en partikel [31] .
En konsekvens af bølgebeskrivelsen af elektroner er, at det er matematisk umuligt samtidig at bestemme en elektrons position og momentum. Det blev kendt som Heisenberg- usikkerhedsprincippet efter den teoretiske fysiker Werner Heisenberg , som først beskrev det og udgav det i 1927 [32] . Dette modbeviste Bohrs model med dens pæne, veldefinerede cirkulære baner. Den moderne model af atomet beskriver elektronernes position i et atom i form af sandsynligheder. En elektron kan potentielt findes i enhver afstand fra kernen, men afhængigt af dens energiniveau findes den oftere i nogle områder omkring kernen end i andre; denne region kaldes dens atomare orbital . Orbitaler kommer i forskellige former - kugle , håndvægt , torus og så videre - med kernen i midten [33] .
Hvis al den akkumulerede videnskabelige viden som et resultat af en eller anden form for global katastrofe ville blive ødelagt, og kun én sætning ville gå videre til de fremtidige generationer af levende væsener, hvilket udsagn, sammensat af det mindste antal ord, ville så bringe mest information?
Jeg tror, at dette er atomhypotesen: alle legemer er lavet af atomer – små legemer, der er i konstant bevægelse, tiltrækker på små afstande, men frastøder, hvis en af dem presses tættere på den anden.
Denne ene sætning indeholder en utrolig mængde information om verden, du skal bare bruge lidt fantasi og lidt omtanke til det.R. Feynman .