wszystkie materia składa się z atomów. To jest coś, co teraz bierzemy za dane i jedna z rzeczy, których uczymy się na początku lekcji chemii w szkole średniej lub średniej. Mimo to, nasze wyobrażenia o tym, czym jest atom, są zaskakująco niedawne: zaledwie sto lat temu naukowcy wciąż zastanawiali się, jak dokładnie wygląda atom. Ta grafika przedstawia kluczowe modele zaproponowane dla atomu i to, jak zmieniały się w czasie.

chociaż nasza grafika zaczyna się w 1800 roku, idea atomów była wokół długo wcześniej. W rzeczywistości, musimy przejść całą drogę wstecz do starożytnej Grecji, aby znaleźć jej genezę. Słowo „atom” faktycznie pochodzi ze starożytnej Grecji i z grubsza tłumaczy się jako „niepodzielny”. Starożytna teoria grecka została przypisana kilku różnym uczonym, ale najczęściej przypisywana jest Demokrytowi (460-370 p. n. e.) i jego mentorowi Leukippusowi. Chociaż ich wyobrażenia o atomach były prymitywne w porównaniu z naszymi dzisiejszymi koncepcjami, nakreślili ideę, że wszystko składa się z atomów, niewidzialnych i niepodzielnych sfer materii o nieskończonym typie i liczbie.

badacze ci wyobrażali sobie Atomy jako różne kształty w zależności od rodzaju atomu. Uważali, że atomy żelaza mają haki, które zamykają je razem, wyjaśniając, dlaczego żelazo jest ciałem stałym w temperaturze pokojowej. Atomy wody były gładkie i śliskie, co wyjaśniało, dlaczego woda była cieczą w temperaturze pokojowej i mogła być wylana. Choć teraz wiemy, że tak nie jest, ich pomysły położyły podwaliny pod przyszłe modele atomowe.

długo jednak czekaliśmy, zanim te fundamenty zostały zbudowane. Dopiero w 1803 roku angielski chemik John Dalton zaczął opracowywać bardziej naukową definicję atomu. Czerpał z idei starożytnych Greków opisując Atomy jako małe, twarde sfery, które są niepodzielne, a Atomy danego pierwiastka są identyczne. Ten ostatni punkt jest taki, który nadal pozostaje prawdziwy, z godnym uwagi wyjątkiem są izotopy różnych pierwiastków, które różnią się liczbą neutronów. Jednakże, ponieważ neutron został odkryty dopiero w 1932 roku, prawdopodobnie możemy wybaczyć Daltonowi to niedopatrzenie. Wymyślił również teorie o tym, jak atomy łączą się w związki, a także wymyślił pierwszy zestaw symboli chemicznych dla znanych pierwiastków.

Zarys teorii atomowej Daltona był początkiem, ale nadal nie mówi nam zbyt wiele o naturze samych atomów. Następnie nastąpiła kolejna, krótsza przerwa, w której nasza wiedza o atomach nie rozwinęła się aż tak bardzo. Próbowano określić, jak atomy mogą wyglądać, na przykład sugestia Lorda Kelvina, że mogą mieć strukturę podobną do wiru, ale dopiero na przełomie XX wieku postęp w wyjaśnianiu struktury atomowej naprawdę zaczął wzrastać.

pierwszy przełom nastąpił pod koniec XIX wieku, kiedy angielski fizyk Joseph John (JJ) Thomson odkrył, że atom nie był tak niepodzielny, jak wcześniej twierdził. Przeprowadził eksperymenty z wykorzystaniem promieni katodowych wytwarzanych w rurze wyładowczej i odkrył, że promienie były przyciągane przez dodatnio naładowane metalowe płytki, ale odpychane przez ujemnie naładowane. Z tego wywnioskował, że promienie muszą być naładowane ujemnie.

mierząc ładunek na cząstkach w promieniach, był w stanie wydedukować, że są dwa tysiące razy lżejsze od wodoru, a zmieniając metal, z którego wykonano katodę, mógł stwierdzić, że cząstki te są obecne w wielu rodzajach atomów. Odkrył elektron (choć nazywał go „korpuskułą”) i pokazał, że atomy nie są niepodzielne, ale mają mniejsze części składowe. Odkrycie to przyniosło mu Nagrodę Nobla w 1906 roku.

w 1904 roku przedstawił swój model atomu na podstawie swoich ustaleń. Nazwany „modelem puddingu śliwkowego” (choć nie przez samego Thomsona), przewidywał Atom jako sferę ładunku dodatniego, z elektronami rozsianymi po całym ciele jak śliwki w puddingu. Naukowcy zaczęli przyglądać się wnętrznościom atomu, ale Model Thomsona nie wisiał długo – i to jeden z jego uczniów dostarczył dowodów, aby przenieść go do historii.

Ernest Rutherford był fizykiem z Nowej Zelandii, który studiował na Uniwersytecie Cambridge pod kierunkiem Thomsona. To była jego późniejsza praca na Uniwersytecie w Manchesterze, która dostarczy dalszych wgląd w wnętrze atomu. Praca ta pojawiła się po tym, jak otrzymał już Nagrodę Nobla w 1908 roku za swoje badania nad chemią substancji radioaktywnych.

Rutherford opracował eksperyment badający strukturę atomową, który polegał na wystrzeliwaniu dodatnio naładowanych cząstek alfa w cienki arkusz złotej folii. Cząstki alfa były tak małe, że mogły przechodzić przez złotą folię i zgodnie z Modelem Thomsona, który wykazał dodatni ładunek rozproszony na całym atomie, powinny to zrobić z niewielkim lub żadnym ugięciem. Przeprowadzając ten eksperyment, miał nadzieję, że uda mu się potwierdzić model Thomsona, ale ostatecznie zrobił dokładnie odwrotnie.

podczas eksperymentu większość cząstek alfa przeszła przez folię z niewielkim lub żadnym ugięciem. Jednak bardzo mała liczba cząstek została odchylona od ich oryginalnych ścieżek pod bardzo dużymi kątami. To było zupełnie nieoczekiwane; jak zauważył sam Rutherford, „to było prawie tak niesamowite, jak gdybyś wystrzelił 15-calowy pocisk w kawałek bibułki i wrócił i uderzył cię”. Jedynym możliwym wyjaśnieniem było to, że ładunek dodatni nie rozprzestrzenił się po atomie, ale skupił się w małym, gęstym centrum: jądrze. Większość reszty atomu była po prostu pustą przestrzenią.

odkrycie jądra przez Rutherforda oznaczało, że model atomowy wymaga przemyślenia. Zaproponował model, w którym elektrony orbitują dodatnio naładowane jądro. Chociaż było to ulepszenie modelu Thomsona, nie wyjaśniało to, co trzymało elektrony na orbicie, zamiast po prostu spiralnie wkraczać w jądro.

wpisz Niels Bohr. Bohr był duńskim fizykiem, który postanowił rozwiązać problemy z Modelem Rutherforda. Zdał sobie sprawę, że fizyka klasyczna nie potrafi właściwie wyjaśnić, co dzieje się na poziomie atomowym; zamiast tego powołał się na teorię kwantową, aby spróbować wyjaśnić rozmieszczenie elektronów. Jego model postulował istnienie poziomów energetycznych lub powłok elektronów. Elektrony można było znaleźć tylko w tych konkretnych poziomach energii; innymi słowy, ich energia została określona ilościowo i nie mogła przyjąć żadnej wartości. Elektrony mogły poruszać się między tymi poziomami energii (określanymi przez Bohra jako „stacjonarne Stany”), ale musiały to zrobić poprzez pochłanianie lub emitowanie energii.

sugestia Bohra dotycząca stabilnych poziomów energii dotyczyła problemu spirali elektronów w jądrze w pewnym stopniu, ale nie do końca. Dokładne przyczyny są nieco bardziej złożone niż zamierzamy tutaj omówić, ponieważ wkraczamy w złożony świat mechaniki kwantowej; i jak sam Bohr powiedział: „Jeśli mechanika kwantowa nie zaszokowała cię głęboko, jeszcze tego nie zrozumiałeś”. Innymi słowy, robi się trochę dziwnie.

model Bohra nie rozwiązał wszystkich problemów modelu atomowego. Działał dobrze dla atomów wodoru, ale nie potrafił wyjaśnić obserwacji cięższych pierwiastków. Narusza również zasadę nieoznaczoności Heisenberga, jedną z podstaw mechaniki kwantowej, która stwierdza, że nie możemy znać dokładnej pozycji i pędu elektronu. Mimo to zasada ta nie została postulowana aż kilka lat po Bohr zaproponował swój model. Pomimo tego wszystkiego, Bohra jest prawdopodobnie nadal model atomu jesteś najbardziej znane, ponieważ jest to często jeden po raz pierwszy wprowadzony podczas liceum lub szkoły średniej kursy chemii. Nadal ma swoje zastosowania; jest to bardzo przydatne do wyjaśnienia wiązania chemicznego i reaktywności niektórych grup pierwiastków na prostym poziomie.

w każdym razie model nadal wymagał dopracowania. W tym momencie wielu naukowców badało i próbowało opracować model kwantowy atomu. Głównym z nich był austriacki fizyk Erwin Schrödinger, o którym zapewne słyszeliście wcześniej (to Facet z kotem i pudełkiem). W 1926 Schrödinger zaproponował, że zamiast poruszania się elektronów po stałych orbitach lub powłokach, elektrony zachowują się jak fale. Wydaje się to trochę dziwne, ale prawdopodobnie już pamiętasz, że światło może zachowywać się zarówno jako fala, jak i cząstka (co jest znane jako dualność falowo-cząstkowa), a okazuje się, że elektrony też mogą.

Schrödinger rozwiązał szereg równań matematycznych, aby stworzyć model rozkładu elektronów w atomie. Jego model pokazuje jądro otaczające obłoki o gęstości elektronów. Te chmury są chmurami prawdopodobieństwa; chociaż nie wiemy dokładnie, gdzie są elektrony, wiemy, że prawdopodobnie znajdą się w danych regionach przestrzeni. Te obszary przestrzeni nazywane są orbitalami elektronów. Być może zrozumiałe jest, dlaczego lekcje chemii w liceum nie prowadzą prosto z tego modelu, chociaż jest to przyjęty model dzisiaj, ponieważ zajmuje trochę więcej czasu, aby się rozpracować!

Schrödinger nie był ostatnim słowem na atomie. W 1932 roku angielski fizyk James Chadwick (uczeń Ernesta Rutherforda) odkrył istnienie neutronu, uzupełniając nasz obraz cząstek subatomowych tworzących atom. Na tym też historia się nie kończy; od tego czasu fizycy odkryli, że protony i neutrony, które tworzą jądro, są podzielne na cząstki zwane kwarkami – ale to wykracza poza zakres tego posta! W każdym razie atom daje nam świetny przykład tego, jak modele naukowe mogą się zmieniać w czasie i pokazuje, jak nowe dowody mogą prowadzić do nowych modeli.

podoba Ci się ten post & grafika? Rozważ Wsparcie udziału składanego na Patreonie i uzyskaj zapowiedzi nadchodzących postów & więcej!

grafika w tym artykule jest dostępna na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 4.0 Międzynarodowe. Zapoznaj się z wytycznymi dotyczącymi korzystania z treści witryny.