alt stof består af atomer. Dette er noget, vi nu tager som en given, og en af de ting, du lærer lige tilbage i begyndelsen af gymnasiet eller gymnasiet kemi klasser. På trods af dette er vores ideer om, hvad et atom er, overraskende nylige: for så lidt som hundrede år siden diskuterede forskere stadig, hvordan et atom så ud. Denne grafik tager et kig på de vigtigste modeller foreslået for atom, og hvordan de ændrede sig over tid.

selvom vores grafik starter i 1800-tallet, var ideen om atomer omkring længe før. Faktisk er vi nødt til at gå helt tilbage til det antikke Grækenland for at finde sin oprindelse. Ordet ‘ atom ‘kommer faktisk fra oldgræsk og oversættes groft som’udelelig’. Den antikke græske teori er blevet krediteret flere forskellige lærde, men tilskrives oftest Democritus (460-370 f .kr.) og hans mentor Leucippus. Selvom deres ideer om atomer var rudimentære sammenlignet med vores begreber i dag, skitserede de ideen om, at alt er lavet af atomer, usynlige og udelelige sfærer af stof af uendelig type og antal.

disse forskere forestillede sig atomer som varierende i form afhængigt af typen af atom. De forestillede sig, at jernatomer havde kroge, der låste dem sammen, forklarer, hvorfor jern var et fast stof ved stuetemperatur. Vandatomer var glatte og glatte og forklarede, hvorfor vand var en væske ved stuetemperatur og kunne hældes. Selvom vi nu ved, at dette ikke er tilfældet, lagde deres ideer grundlaget for fremtidige atommodeller.

det var dog en lang ventetid, før disse fundamenter blev bygget på. Det var først i 1803, at den engelske kemiker John Dalton begyndte at udvikle en mere videnskabelig definition af atomet. Han trak på de gamle grækers ideer ved at beskrive atomer som små, hårde kugler, der er udelelige, og at atomer i et givet element er identiske med hinanden. Sidstnævnte punkt er et, der stort set stadig gælder, med den bemærkelsesværdige undtagelse isotoper af forskellige elementer, som adskiller sig i deres antal neutroner. Men da neutronen ikke ville blive opdaget før 1932, kan vi nok tilgive Dalton dette tilsyn. Han kom også med teorier om, hvordan atomer kombineres for at fremstille forbindelser, og kom også med det første sæt kemiske symboler for de kendte elementer.

Daltons skitsering af atomteori var en start, men det fortalte os stadig ikke meget om atomernes natur. Hvad der fulgte var en anden, kortere pause, hvor vores viden om atomer ikke udviklede sig så meget. Der var nogle forsøg på at definere, hvordan atomer kunne se ud, såsom Lord Kelvins forslag om, at de måske havde en hvirvellignende struktur, men det var først lige efter begyndelsen af det 20.århundrede, at fremskridt med at belyse atomstrukturen virkelig begyndte at samle op.det første gennembrud kom i slutningen af 1800-tallet, da den engelske fysiker Joseph John (JJ) Thomson opdagede, at atomet ikke var så udeleligt som tidligere hævdet. Han udførte eksperimenter ved hjælp af katodestråler produceret i et udløbsrør og fandt ud af, at strålerne blev tiltrukket af positivt ladede metalplader, men frastødt af negativt ladede. Herfra udledte han strålerne skal være negativt ladet.

Ved at måle ladningen på partiklerne i strålerne var han i stand til at udlede, at de var to tusind gange lettere end brint, og ved at ændre metallet blev katoden fremstillet af han kunne fortælle, at disse partikler var til stede i mange typer atomer. Han havde opdaget elektronen (skønt han omtalte den som et ‘legeme’) og vist, at atomer ikke var udelelige, men havde mindre bestanddele. Denne opdagelse ville vinde ham en Nobelpris i 1906.

i 1904 fremsatte han sin model af atomet baseret på hans fund. Døbt ‘The Plum Pudding Model’ (Dog ikke af Thomson selv), det forestillede atomet som en kugle med positiv ladning, med elektroner prikket overalt som blommer i en budding. Forskere var begyndt at kigge ind i atomets indre, men Thomsons model ville ikke hænge længe – og det var en af hans studerende, der fremlagde beviserne for at sende det til historien.Ernest Rutherford var fysiker og studerede ved Cambridge University under Thomson. Det var hans senere arbejde på University of Manchester, som ville give yderligere indsigt i indersiden af et atom. Dette arbejde kom, efter at han allerede havde modtaget en Nobelpris i 1908 for sine undersøgelser af kemi af radioaktive stoffer.Rutherford udtænkte et eksperiment for at undersøge atomstrukturen, der involverede fyring af positivt ladede alfapartikler på et tyndt ark guldfolie. Alfapartiklerne var så små, at de kunne passere gennem guldfolien, og ifølge Thomsons model, der viste den positive ladning diffunderet over hele atomet, skulle det gøre det med ringe eller ingen afbøjning. Ved at udføre dette eksperiment håbede han at kunne bekræfte Thomsons model, men han endte med at gøre nøjagtigt det modsatte.

under eksperimentet passerede de fleste af alfapartiklerne gennem folien med ringe eller ingen afbøjning. Imidlertid blev et meget lille antal af partiklerne afbøjet fra deres oprindelige stier i meget store vinkler. Dette var helt uventet; som Rutherford selv bemærkede,”det var næsten lige så utroligt som om du fyrede en 15-tommers skal på et stykke tissuepapir, og det kom tilbage og ramte dig”. Den eneste mulige forklaring var, at den positive ladning ikke var spredt over hele atomet, men koncentreret i et lille, tæt centrum: kernen. Det meste af resten af atomet var simpelthen tomt rum.Rutherfords opdagelse af kernen betød, at atommodellen havde brug for en nytænkning. Han foreslog en model, hvor elektronerne kredser om den positivt ladede kerne. Mens dette var en forbedring af Thomsons model, forklarede det ikke, hvad der holdt elektronerne i kredsløb i stedet for blot at spiral ind i kernen.

indtast Niels Bohr. Bohr var en dansk fysiker, der begyndte at forsøge at løse problemerne med Rutherfords model. Han indså, at klassisk fysik ikke korrekt kunne forklare, hvad der foregik på atomniveau; i stedet påberåbte han kvanteteori for at forsøge at forklare arrangementet af elektroner. Hans model postulerede eksistensen af energiniveauer eller skaller af elektroner. Elektroner kunne kun findes i disse specifikke energiniveauer; med andre ord blev deres energi kvantificeret og kunne ikke tage nogen værdi. Elektroner kunne bevæge sig mellem disse energiniveauer (omtalt af Bohr som ‘stationære tilstande’), men måtte gøre det ved enten at absorbere eller udsende energi.Bohrs forslag om stabile energiniveauer behandlede problemet med elektroner, der spiraler ind i kernen i et omfang, men ikke helt. De nøjagtige årsager er lidt mere komplekse, end vi skal diskutere her, fordi vi kommer ind i den komplekse verden af kvantemekanik; og som Bohr selv sagde, “hvis kvantemekanik ikke har dybt chokeret dig, har du ikke forstået det endnu”. Med andre ord, det bliver lidt underligt.Bohrs Model løste ikke alle atommodelproblemerne. Det fungerede godt for hydrogenatomer, men kunne ikke forklare observationer af tungere grundstoffer. Det overtræder også Heisenberg usikkerhedsprincippet, en af hjørnestenene i kvantemekanikken, som siger, at vi ikke kan kende både den nøjagtige position og momentum af en elektron. Alligevel blev dette princip ikke postuleret før flere år efter, at Bohr foreslog sin model. På trods af alt dette er Bohrs sandsynligvis stadig modellen for det atom, du er mest bekendt med, da det ofte er den, der først blev introduceret under gymnasiet eller gymnasiet kemi kurser. Det har stadig sine anvendelser også; det er ret praktisk at forklare kemisk binding og reaktiviteten af nogle grupper af elementer på et simpelt niveau.

under alle omstændigheder krævede modellen stadig raffinering. På dette tidspunkt undersøgte mange forskere og forsøgte at udvikle atomets kvantemodel. Chef blandt disse var den østrigske fysiker Ervin Schr Schrdinger, som du sikkert har hørt om før (han er fyren med katten og kassen). I 1926 foreslog Schr Krimdinger, at elektronerne opfører sig som bølger i stedet for elektronerne, der bevæger sig i faste baner eller skaller. Dette virker lidt underligt, men du husker sikkert allerede, at lys kan opføre sig som både en bølge og en partikel (hvad der er kendt som en bølge-partikel dualitet), og det viser sig, at elektroner også kan.

Schr Larsdinger løst en række matematiske ligninger til at komme op med en model for fordelingen af elektroner i et atom. Hans model viser kernen omkring af skyer af elektrondensitet. Disse skyer er sandsynlighedsskyer; selvom vi ikke ved præcis, hvor elektronerne er, ved vi, at de sandsynligvis findes i givne områder af rummet. Disse områder af rummet kaldes elektronorbitaler. Det er måske forståeligt, hvorfor gymnasiekemiundervisning ikke fører direkte ind i denne model, selvom det er den accepterede model i dag, fordi det tager lidt mere tid at få hovedet rundt!

Schr Larsdinger ‘ s var ikke helt det sidste ord på atomet. I 1932 opdagede den engelske fysiker James Chadvick (en elev af Ernest Rutherford) neutronens eksistens og afsluttede vores billede af de subatomære partikler, der udgør et atom. Historien slutter heller ikke der; fysikere har siden opdaget, at protonerne og neutronerne, der udgør kernen, selv kan deles i partikler kaldet kvarker – men det er uden for rammerne af dette indlæg! Under alle omstændigheder giver atomet os et godt eksempel på, hvordan videnskabelige modeller kan ændre sig over tid, og viser, hvordan nye beviser kan føre til nye modeller.

nød dette indlæg & grafik? Overvej at støtte sammensatte renter på Patreon, og få forhåndsvisninger af kommende indlæg & mere!

grafikken i denne artikel er licenseret under en Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International licens. Se hjemmesidens retningslinjer for brug af indhold.