Všechna hmota se skládá z atomů. To je něco, co nyní bereme jako dané, a jedna z věcí, které se naučíte hned na začátku tříd chemie na střední nebo střední škole. Navzdory tomu jsou naše představy o tom, co je atom, překvapivě nedávné: ještě před sto lety vědci stále debatovali o tom, jak přesně atom vypadal. Tato grafika se podívá na klíčové modely navržené pro atom, a jak se v průběhu času měnily.

ačkoli naše grafika začíná v roce 1800, myšlenka atomů byla dávno předtím. Ve skutečnosti se musíme vrátit až do starověkého Řecka, abychom našli jeho genezi. Slovo „atom“ ve skutečnosti pochází ze starověké řečtiny a zhruba se překládá jako „nedělitelný“. Starověká řecká teorie byla připsána několika různým učencům, ale nejčastěji se připisuje Democritus (460-370 ) a jeho mentor Leucippus . I když jejich představy o atomy byly primitivní ve srovnání s naší koncepcí, jsou dnes nastínil myšlenku, že vše je tvořeno z atomů, neviditelný a neuhasitelný oblastech otázkou nekonečné typ a číslo.

tito učenci si představovali atomy jako různé tvary v závislosti na typu atomu. Předpokládali, že atomy železa mají háčky, které je uzamkly dohromady, vysvětluje, proč bylo železo při pokojové teplotě pevné. Atomy vody byly hladké a kluzké, což vysvětluje, proč voda byla kapalina při pokojové teplotě a mohla být nalita. I když nyní víme, že tomu tak není, jejich myšlenky položily základy pro budoucí atomové modely.

bylo to však dlouhé čekání, než byly tyto základy postaveny. Až v roce 1803 začal anglický chemik John Dalton rozvíjet vědeckou definici atomu. Čerpal z myšlenek starověkých Řeků, když popisoval atomy jako malé, tvrdé koule, které jsou nedělitelné a že atomy daného prvku jsou navzájem identické. Druhý bod je ten, že skoro stále platí, s výjimkou, že izotopy různých prvků, které se liší v počtu neutronů. Nicméně, protože neutron by nebyl objeven až do roku 1932, můžeme pravděpodobně odpustit Daltonovi tento dohled. Přišel také s teoriemi o tom, jak se atomy spojují a vytvářejí sloučeniny, a také přišel s první sadou chemických symbolů pro známé prvky.

Daltonův nástin atomové teorie byl začátek, ale stále nám to moc neřeklo o povaze samotných atomů. Následoval další, kratší klid, kdy naše znalosti atomů tolik nepokročily. Tam byly některé pokusy definovat, co atomy může vypadat, jako Lord Kelvin je návrh, že by mohl mít víru-jako struktury, ale to nebylo až do přelomu 20. Století, že pokrok v objasnění atomové struktury začal opravdu vyzvednout.

první průlom přišel na konci roku 1800, kdy anglický fyzik Joseph John (JJ) Thomson zjistil, že atom není tak nedělitelný, jak se dříve tvrdilo. Prováděl experimenty s použitím katodové paprsky vyrobené v výbojkou, a zjistil, že paprsky byly přitahovány kladně nabité kovové desky, ale odpuzovány záporně nabitých iontů. Z toho odvodil, že paprsky musí být záporně nabité.

měřením náboje na částicích v paprscích dokázal odvodit, že jsou dva tisíckrát lehčí než vodík, a změnou kovu byla katoda vyrobena z mohl říct, že tyto částice byly přítomny v mnoha typech atomů. Objevil elektron (i když ho označoval jako „korpus“) a ukázal, že atomy nejsou nedělitelné,ale mají menší součásti. Tento objev by mu v roce 1906 získal Nobelovu cenu.

v roce 1904 předložil svůj model atomu na základě svých zjištění. Přezdívaná ‚Plum Pudding Model‘ (i když ne Thomson sám), to předpokládá atom jako kouli kladný náboj, elektrony tečkovaných celé jako švestky v pudinku. Vědci začali nahlédnout do atomu vnitřnosti, ale thomsonova modelu by neměla viset kolem pro dlouho – a to byl jeden z jeho studentů, který poskytl důkazy, odevzdat jej do historie.Ernest Rutherford byl fyzik z Nového Zélandu, který studoval na Cambridgeské univerzitě pod Thomsonem. Byla to jeho pozdější práce na univerzitě v Manchesteru, která by poskytla další vhled do vnitřků atomu. Tato práce přišla poté, co již v roce 1908 obdržel Nobelovu cenu za vyšetřování chemie radioaktivních látek.

Rutherford vymyslel experiment sondou atomové struktury, která zahrnovala vypálení kladně nabitých alfa částic na tenkou vrstvu zlaté fólie. Částice alfa byly tak malé, že mohly projít zlatou fólií, a podle Thomsonova modelu, který ukázal kladný náboj rozptýlený po celém atomu, by tak měl učinit s malou nebo žádnou výchylkou. Provedením tohoto experimentu doufal, že bude schopen potvrdit Thomsonův model, ale nakonec udělal pravý opak.

během experimentu většina alfa částic prošla fólií s malou nebo žádnou výchylkou. Velmi malý počet částic byl však odkloněn od svých původních drah ve velmi velkých úhlech. To bylo zcela neočekávané; jak sám Rutherford poznamenal, „bylo to téměř stejně neuvěřitelné, jako kdybyste vystřelili 15palcovou skořápku na kus hedvábného papíru a vrátil se a zasáhl vás“. Jediným možným vysvětlením bylo, že kladný náboj nebyl rozšířen po celém atomu,ale soustředěn v malém, hustém středu: jádru. Většina zbytku atomu byl prostě prázdný prostor.

Rutherfordův objev jádra znamenal, že atomový model potřebuje přehodnotit. Navrhl model, kde elektrony obíhají kolem kladně nabitého jádra. I když se jednalo o zlepšení Thomsonova modelu, nevysvětlilo to, co udržovalo elektrony obíhající místo toho, aby se jednoduše točily do jádra.

zadejte Niels Bohr. Bohr byl dánský fyzik, který se pokusil vyřešit problémy s Rutherfordovým modelem. Uvědomil si, že klasická fyzika nedokáže správně vysvětlit, co se děje na atomové úrovni; místo toho použil kvantovou teorii, aby se pokusil vysvětlit uspořádání elektronů. Jeho model předpokládal existenci energetických hladin nebo skořápek elektronů. Elektrony lze nalézt pouze v těchto specifických energetických hladinách; jinými slovy, jejich energie byla kvantována a nemohla mít žádnou hodnotu. Elektrony mohly pohybovat mezi tyto energetické hladiny (podle Bohr jako stacionární států), ale měl tak učinit buď absorbuje nebo emituje energii.

Bohrův návrh stabilních energetických hladin se zabýval problémem elektronů spirálovitých do jádra do určité míry, ale ne úplně. Přesné důvody jsou trochu složitější, než budeme diskutovat zde, protože se dostáváme do komplexní svět kvantové mechaniky; a jako Bohr sám řekl, „Pokud kvantová mechanika není hluboce šokován, nepochopil jsi to.“ Jinými slovy, je to trochu divné.

Bohrův model nevyřešil všechny problémy atomového modelu. Fungovalo to dobře pro atomy vodíku, ale nedokázal vysvětlit pozorování těžších prvků. Porušuje také Heisenbergův princip neurčitosti, jeden ze základních kamenů kvantové mechaniky, který říká, že nemůžeme znát přesnou polohu ani hybnost elektronu. Ještě pořád, tento princip nebyl postulován až několik let poté, co Bohr navrhl svůj model. I přes to všechno, Bohr je pravděpodobně stále model atomu jste nejvíce obeznámeni s, protože to je často ten první představil během vysoké školy nebo střední školy chemie kurzy. Stále má také své použití; je to docela užitečné pro vysvětlení chemické vazby a reaktivity některých skupin prvků na jednoduché úrovni.

v každém případě model stále vyžadoval rafinaci. V tomto okamžiku mnoho vědců zkoumalo a snažilo se vyvinout kvantový model atomu. Šéf mezi nimi byl rakouský fyzik Erwin Schrödinger ,o kterém jste už asi slyšeli (je to ten chlap s kočkou a krabicí). V roce 1926 Schrödinger navrhl, že spíše než elektrony pohybující se v pevných drahách nebo skořápkách se elektrony chovají jako vlny. Zdá se to trochu divné, ale pravděpodobně si již vzpomínáte, že světlo se může chovat jako vlna i částice (to, co je známé jako dualita vlny a částic), a ukázalo se, že elektrony mohou také.

Schrödinger vyřešil řadu matematických rovnic, aby přišel s modelem pro distribuci elektronů v atomu. Jeho model ukazuje jádro obklopující mraky elektronové hustoty. Tyto mraky jsou mraky pravděpodobnosti; ačkoli nevíme přesně, kde jsou elektrony, víme, že se pravděpodobně nacházejí v daných oblastech vesmíru. Tyto oblasti prostoru jsou označovány jako elektronové orbitaly. Je to možná pochopitelné, proč vysoké škole lekce chemie nevedou přímo s tímto modelem, i když je to uznávaný model dnes, protože to trvá trochu více času, aby si hlavu kolem!

Schrödingerovo nebylo úplně poslední slovo o atomu. V roce 1932 anglický fyzik James Chadwick (student Ernest Rutherford) objevil existenci neutronu, vyplňování náš obraz subatomárních částic, které tvoří atom. Příběh také nekončí; fyzici od té doby zjistili, že protony a neutrony, které tvoří jádro, jsou samy dělitelné na částice zvané kvarky-ale to je nad rámec tohoto příspěvku! V každém případě nám atom dává skvělý příklad toho, jak se vědecké modely mohou v průběhu času měnit, a ukazuje, jak nové důkazy mohou vést k novým modelům.

užil si tento příspěvek & graphic? Zvažte podporu složeného úroku na Patreonu a získejte náhledy nadcházejících příspěvků & více!

grafika v tomto článku je licencován pod Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Mezinárodní Licence. Viz pokyny pro používání obsahu webu.