kaikki aine koostuu atomeista. Tämä on asia, jonka otamme nyt itsestäänselvyytenä, ja yksi asia, jonka opit heti lukion tai lukion kemian tunneilla. Tästä huolimatta käsityksemme siitä, mikä atomi on, ovat yllättävän tuoreita.: vielä sata vuotta sitten tiedemiehet väittelivät siitä, miltä atomi tarkalleen ottaen näytti. Tässä grafiikassa tarkastellaan atomille ehdotettuja keskeisiä malleja ja sitä, miten ne muuttuivat ajan myötä.

vaikka grafiikkamme alkaa 1800-luvulta, atomien idea oli olemassa jo kauan ennen. Itse asiassa meidän on mentävä takaisin antiikin Kreikkaan löytääksemme sen syntyhistorian. Sana ’ atomi ’on itse asiassa peräisin muinaiskreikasta ja karkeasti käännettynä’jakamaton’. Antiikin kreikkalainen teoria on luettu useille eri oppineille, mutta useimmiten se luetaan Demokritoksen (460-370 eaa) ja hänen oppi-isänsä Leukippoksen ansioksi . Vaikka heidän ajatuksensa atomeista olivat alkeellisia verrattuna nykyisiin käsityksiimme, he hahmottelivat ajatuksen, että kaikki on tehty atomeista, näkymättömistä ja jakamattomista ainepalloista, joilla on ääretön tyyppi ja lukumäärä.

nämä tutkijat kuvittelivat atomien olevan muodoltaan vaihtelevia riippuen atomin tyypistä. He kuvittelivat rauta-atomien olevan koukkuja, jotka lukitsivat ne yhteen, selittäen, miksi rauta oli huoneenlämpötilassa kiinteä aine. Vesiatomit olivat sileitä ja liukkaita, mikä selittää, miksi vesi oli huoneenlämpöistä nestettä ja sitä voitiin kaataa. Vaikka tiedämme nyt, ettei näin ole, heidän ajatuksensa loivat perustan tuleville atomimalleille.

oli kuitenkin pitkä odotus ennen kuin nämä perustukset saatiin rakennettua. Vasta vuonna 1803 englantilainen kemisti John Dalton alkoi kehittää atomin tieteellisempää määritelmää. Hän hyödynsi antiikin kreikkalaisten ajatuksia kuvaillessaan atomeja pieninä, kovina palloina, jotka ovat jakamattomia, ja että tietyn alkuaineen atomit ovat identtisiä keskenään. Jälkimmäinen kohta on yksi, joka melko paljon pitää edelleen paikkansa, huomattavana poikkeuksena ovat eri alkuaineiden isotoopit, jotka eroavat toisistaan neutronien määrässä. Mutta koska neutroni löydettäisiin vasta vuonna 1932, voimme luultavasti antaa daltonille anteeksi tämän virheen. Hän myös keksi teorioita siitä, miten atomit yhdistyvät muodostaen yhdisteitä, ja keksi myös ensimmäiset kemialliset symbolit tunnetuille alkuaineille.

Daltonin hahmottelu atomiteoriasta oli alku, mutta se ei silti kertonut paljoakaan itse atomien luonteesta. Seurasi toinen, lyhyempi tyvi, jossa tietomme atomeista ei edistynyt kovin paljon. Oli joitakin yrityksiä määritellä, mitä atomit voisivat näyttää, kuten Lordi Kelvin ehdotus, että ne voisivat olla pyörre-kaltainen rakenne, mutta se ei ollut vasta aivan vaihteessa 20-luvulla, että edistyminen selventäminen atomi rakenne todella alkoi piristyä.

ensimmäinen läpimurto tapahtui 1800-luvun lopulla, kun englantilainen fyysikko Joseph John (JJ) Thomson huomasi, ettei atomi ollut niin jakamaton kuin aiemmin väitettiin. Hän teki kokeita käyttäen purkausputkessa tuotettuja katodisäteitä ja havaitsi, että säteet vetivät puoleensa positiivisesti varautuneet metallilevyt, mutta karkottivat negatiivisesti varautuneet. Tästä hän päätteli säteiden olevan negatiivisesti varautuneita.

mittaamalla säteiden hiukkasten varausta hän pystyi päättelemään, että ne olivat kaksituhatta kertaa kevyempiä kuin vety, ja muuttamalla katodin valmistamaa metallia hän pystyi kertomaan, että näitä hiukkasia oli monenlaisissa atomeissa. Hän oli löytänyt elektronin (vaikka hän viittasi siihen ”corpuscle”), ja osoitti, että atomit eivät olleet jakamattomia, mutta oli pienempiä osia. Löytö toi hänelle Nobelin palkinnon vuonna 1906.

vuonna 1904 hän esitti löytöjensä perusteella mallinsa atomista. Dubed ”luumu Pudding malli” (vaikka ei Thomson itse), se hahmotteli atomi pallo positiivinen varaus, elektronit pistemäinen kaikkialla kuin luumut vanukas. Tutkijat olivat alkaneet kurkistaa atomin sisuksiin, mutta Thomsonin malli ei roikkunut kauaa – ja eräs hänen oppilaistaan toimitti todisteet sen jättämiseksi historiaan.

Ernest Rutherford oli uusiseelantilainen fyysikko, joka opiskeli Cambridgen yliopistossa Thomsonin johdolla. Se oli hänen myöhemmin työtä Manchesterin yliopistossa, joka antaisi lisää oivalluksia sisuskalut atomi. Tämä työ tuli sen jälkeen, kun hän oli jo saanut Nobelin palkinnon vuonna 1908 tutkimuksistaan, jotka koskivat radioaktiivisten aineiden kemiaa.

Rutherford suunnitteli kokeen, jossa luotattiin atomirakennetta, johon kuului positiivisesti varautuneiden alfahiukkasten ampuminen ohutta kultafolioarkkia kohti. Alfahiukkaset olivat niin pieniä, että ne pystyivät kulkemaan kultafolion läpi, ja Thomsonin mallin mukaan, joka osoitti positiivisen varauksen hajaantuneen koko atomin yli, niiden pitäisi tehdä niin vain vähän tai ei lainkaan taipumaa. Tekemällä tämän kokeen hän toivoi voivansa vahvistaa Thomsonin mallin, mutta hän päätyi tekemään juuri päinvastoin.

kokeen aikana suurin osa alfahiukkasista läpäisi kalvon vain vähän tai ei lainkaan taipuen. Kuitenkin hyvin pieni osa hiukkasista poikkesi alkuperäisistä poluistaan hyvin suurissa kulmissa. Tämä oli täysin odottamatonta; kuten Rutherford itse totesi,”Se oli melkein yhtä uskomatonta kuin jos ampuisi 15-tuumaisen kranaatin pehmopaperia kohti ja se tulisi takaisin ja osuisi sinuun”. Ainoa mahdollinen selitys oli, että positiivinen varaus ei levinnyt koko atomiin, vaan keskittyi pieneen, tiheään keskukseen: ytimeen. Suurin osa muusta atomista oli pelkkää tyhjää tilaa.

Rutherfordin ytimen löytyminen merkitsi sitä, että atomimalli tarvitsi uuden harkinnan. Hän ehdotti mallia, jossa elektronit kiertävät positiivisesti varautunutta ydintä. Vaikka tämä oli parannus Thomsonin malliin, se ei selittänyt, mikä piti elektronit kiertoradalla sen sijaan, että ne vain kiertyivät ytimeen.

Enter Niels Bohr. Bohr oli tanskalainen fyysikko, joka pyrki ratkaisemaan ongelmat Rutherfordin mallilla. Hän ymmärsi, että klassinen fysiikka ei voinut kunnolla selittää, mitä oli tekeillä atomi tasolla; sen sijaan hän vetosi kvanttiteoriaan yrittääkseen selittää elektronien järjestelyn. Hänen mallinsa oletti energiatasojen eli elektronikuorien olemassaolon. Elektroneja voitiin löytää vain näillä ominaisenergiatasoilla; toisin sanoen niiden energia oli kvantisoitu, eikä se voinut ottaa mitä tahansa arvoa. Elektronit voisivat liikkua näiden energiatasojen välillä (Bohrin mukaan ”stationäärisiksi tiloiksi”), mutta niiden oli tehtävä se joko absorboimalla tai emittoimalla energiaa.

Bohrin ehdotus stabiileista energiatasoista käsitteli ydimeen kiertyvien elektronien ongelmaa jossain määrin, mutta ei kokonaan. Tarkat syyt ovat hieman monimutkaisempia kuin aiomme keskustella täällä, koska olemme pääsemässä kvanttimekaniikan monimutkaiseen maailmaan, ja kuten Bohr itse sanoi, ”Jos kvanttimekaniikka ei ole järkyttänyt teitä syvästi, ette ole vielä ymmärtäneet sitä”. Toisin sanoen, se on aika outoa.

Bohrin malli ei ratkaissut kaikkia atomimallin ongelmia. Se toimi hyvin vetyatomeille, mutta ei pystynyt selittämään raskaampien alkuaineiden havaintoja. Se rikkoo myös Heisenbergin Epävarmuusperiaatetta, yhtä kvanttimekaniikan kulmakivistä, jonka mukaan emme voi tietää elektronin tarkkaa sijaintia ja liikemäärää. Silti tämä periaate ei ollut postulated vasta useita vuosia sen jälkeen, kun Bohr ehdotti hänen malli. Kaikesta tästä huolimatta, Bohrin on luultavasti edelleen malli atomin olet eniten perehtynyt, koska se on usein yksi otettiin käyttöön aikana lukion tai lukion kemian kursseja. Sille on vielä käyttöä; se on varsin kätevä selittämään kemiallista sidosta ja joidenkin alkuaineryhmien reaktiivisuutta yksinkertaisella tasolla.

malli vaati joka tapauksessa vielä hiomista. Tässä vaiheessa monet tiedemiehet tutkivat ja yrittivät kehittää atomin kvanttimallia. Tärkein näistä oli itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger, josta olet luultavasti kuullut aiemmin (hän on kaveri, jolla on kissa ja laatikko). Vuonna 1926 Schrödinger ehdotti, että elektronit käyttäytyvät aaltoina sen sijaan, että ne liikkuisivat kiinteillä orbitaaleilla tai kuorilla. Tämä tuntuu hieman oudolta, mutta luultavasti jo muistaa, että valo voi käyttäytyä sekä aalto ja hiukkanen (mitä kutsutaan Aalto-hiukkanen dualiteetti), ja osoittautuu, että elektronit voivat myös.

Schrödinger ratkaisi joukon matemaattisia yhtälöitä keksiäkseen mallin elektronien jakaumille atomissa. Hänen mallinsa näyttää ytimen, jota ympäröivät elektronitiheyspilvet. Nämä pilvet ovat todennäköisyyspilviä; vaikka emme tiedä tarkalleen, missä elektronit ovat, tiedämme, että ne todennäköisesti löytyvät tietyillä alueilla avaruudessa. Näitä avaruuden alueita kutsutaan elektroniorbitaaleiksi. On ehkä ymmärrettävää, miksi lukion kemian tunnit eivät johda suoraan tähän malliin, vaikka se on hyväksytty malli tänään, koska se vie hieman enemmän aikaa saada pään ympäri!

Schrödingerin ei ollut aivan viimeinen sana atomille. Vuonna 1932 englantilainen fyysikko James Chadwick (Ernest Rutherfordin oppilas) havaitsi neutronin olemassaolon ja täydensi kuvaamme atomin muodostavista atomin aliatomisista hiukkasista. Tarina ei pääty siihenkään; fyysikot ovat sittemmin havainneet, että protonit ja neutronit, jotka muodostavat ytimen, ovat itse jaettavissa kvarkeiksi kutsutuiksi hiukkasiksi – mutta se on tämän postauksen ulottumattomissa! Atomi on joka tapauksessa loistava esimerkki siitä, miten tieteelliset mallit voivat muuttua ajan myötä, ja osoittaa, miten uudet todisteet voivat johtaa uusiin malleihin.

nautti tästä postauksesta & graphic? Harkitse koronkoron tukemista Patreonilla ja hanki esikatselut tulevista viesteistä & more!

tämän artikkelin grafiikka on lisensoitu Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0-kansainvälisellä lisenssillä. Katso sivuston sisällön käyttöohjeet.