alla materia består av atomer. Detta är något vi nu tar som en given, och en av de saker du lär dig redan i början av gymnasiet eller gymnasiet kemi klasser. Trots detta är våra tankar om vad en atom är överraskande nyligen: så lite som hundra år sedan diskuterade forskare fortfarande hur exakt en atom såg ut. Denna grafik tar en titt på de nyckelmodeller som föreslås för atomen och hur de förändrades över tiden.

Även om vår grafik börjar på 1800-talet var tanken på atomer långt innan. Faktum är att vi måste gå hela vägen tillbaka till det antika Grekland för att hitta dess uppkomst. Ordet ’atom’ kommer faktiskt från forntida grekiska och översätts ungefär som ’odelbar’. Den antika grekiska teorin har krediterats flera olika forskare, men tillskrivs oftast Democritus (460-370 f .kr.) och hans mentor Leucippus. Även om deras tankar om atomer var rudimentära jämfört med våra begrepp idag, skisserade de tanken att allt är gjord av atomer, osynliga och odelbara sfärer av materia av oändlig typ och antal.

dessa forskare föreställde sig atomer som varierande i form beroende på typen av atom. De föreställde sig att järnatomer hade krokar som låste dem ihop och förklarade varför järn var fast vid rumstemperatur. Vattenatomer var släta och hala och förklarade varför vatten var en vätska vid rumstemperatur och kunde hällas. Även om vi nu vet att detta inte är fallet, lade deras tankar grunden för framtida atommodeller.

det var dock en lång väntan innan dessa fundament byggdes på. Det var inte förrän 1803 som den engelska kemisten John Dalton började utveckla en mer vetenskaplig definition av atomen. Han drog på de gamla grekernas tankar när han beskrev atomer som små, hårda sfärer som är odelbara, och att atomer av ett givet element är identiska med varandra. Den senare punkten är en som ganska mycket fortfarande gäller, med det anmärkningsvärda undantaget isotoper av olika element, som skiljer sig åt i deras antal neutroner. Men eftersom neutronen inte skulle upptäckas förrän 1932, kan vi förmodligen förlåta Dalton denna övervakning. Han kom också med teorier om hur atomer kombineras för att göra föreningar, och kom också med den första uppsättningen kemiska symboler för de kända elementen.

Daltons disposition av atomteori var en början, men det berättade fortfarande inte mycket om atomernas natur. Det som följde var en annan, kortare vagga där vår kunskap om atomer inte utvecklades så mycket. Det fanns några försök att definiera vilka atomer som kan se ut, till exempel Lord Kelvins förslag att de kan ha en virvelliknande struktur, men det var inte förrän strax efter 20-talets tur att framsteg på att belysa atomstrukturen verkligen började hämta.

det första genombrottet kom i slutet av 1800-talet när den engelska fysikern Joseph John (JJ) Thomson upptäckte att atomen inte var så odelbar som tidigare hävdat. Han utförde experiment med katodstrålar producerade i ett urladdningsrör och fann att strålarna lockades av positivt laddade metallplattor men avvisades av negativt laddade. Från detta härledde han strålarna måste vara negativt laddade.genom att mäta laddningen på partiklarna i strålarna kunde han dra slutsatsen att de var två tusen gånger lättare än väte, och genom att ändra metallen var katoden gjord av han kunde berätta att dessa partiklar var närvarande i många typer av atomer. Han hade upptäckt elektronen (även om han hänvisade till den som ett ’korpuskel’) och visat att atomer inte var odelbara utan hade mindre beståndsdelar. Denna upptäckt skulle vinna honom ett Nobelpris 1906.

1904 lade han fram sin modell av atomen baserat på hans resultat. Dubbade ’Plommonpuddingmodellen’ (men inte av Thomson själv), förutsåg den atomen som en sfär av positiv laddning, med elektroner prickade överallt som plommon i en pudding. Forskare hade börjat kika in i atomens innards, men Thomsons modell skulle inte hänga länge – och det var en av hans elever som gav bevisen för att skicka den till historien.

Ernest Rutherford var en fysiker från Nya Zeeland som studerade vid Cambridge University under Thomson. Det var hans senare arbete vid University of Manchester som skulle ge ytterligare insikter i insidan av en atom. Detta arbete kom efter att han redan hade fått ett Nobelpris 1908 för sina undersökningar av kemi av radioaktiva ämnen.

Rutherford utarbetat ett experiment för att sondera atomstruktur som involverade bränning positivt laddade alfapartiklar på ett tunt ark av guldfolie. Alfapartiklarna var så små att de kunde passera genom guldfolien, och enligt Thomsons modell som visade den positiva laddningen diffus över hela atomen, borde det göra det med liten eller ingen avböjning. Genom att utföra detta experiment hoppades han kunna bekräfta Thomsons modell, men han slutade göra exakt motsatsen.

under experimentet passerade de flesta alfapartiklarna genom folien med liten eller ingen avböjning. Ett mycket litet antal partiklar avböjdes emellertid från sina ursprungliga vägar i mycket stora vinklar. Detta var helt oväntat; som Rutherford själv observerade,”det var nästan lika otroligt som om du avfyrade ett 15-tums skal på en bit tissuepapper och det kom tillbaka och slog dig”. Den enda möjliga förklaringen var att den positiva laddningen inte spriddes över atomen utan koncentrerades i ett litet, tätt centrum: kärnan. Det mesta av resten av atomen var helt enkelt tomt utrymme.

Rutherfords upptäckt av kärnan innebar att atommodellen behövde en omprövning. Han föreslog en modell där elektronerna kretsar kring den positivt laddade kärnan. Även om detta var en förbättring av Thomsons modell, förklarade det inte vad som höll elektronerna i omlopp istället för att helt enkelt spiral i kärnan.

Ange Niels Bohr. Bohr var en dansk fysiker som började försöka lösa problemen med Rutherfords modell. Han insåg att klassisk fysik inte riktigt kunde förklara vad som hände på atomnivå; istället åberopade han kvantteori för att försöka förklara arrangemanget av elektroner. Hans modell postulerade förekomsten av energinivåer eller skal av elektroner. Elektroner kunde bara hittas i dessa specifika energinivåer; med andra ord kvantifierades deras energi och kunde inte bara ta något värde. Elektroner kunde röra sig mellan dessa energinivåer (benämnd av Bohr som ’stationära tillstånd’), men var tvungna att göra det genom att antingen absorbera eller avge energi.

Bohrs förslag om stabila energinivåer behandlade problemet med elektroner som spiraler in i kärnan i en utsträckning, men inte helt. De exakta orsakerna är lite mer komplexa än vi kommer att diskutera här, för vi kommer in i kvantmekanikens komplexa värld; och som Bohr själv sa, ”om kvantmekanik inte har chockat dig djupt, har du inte förstått det ännu”. Med andra ord, det blir lite konstigt.

Bohrs modell löste inte alla atommodellproblem. Det fungerade bra för väteatomer, men kunde inte förklara observationer av tyngre element. Det bryter också mot Heisenbergs osäkerhetsprincip, en av hörnstenarna i kvantmekanik, som säger att vi inte kan veta både den exakta positionen och momentumet hos en elektron. Ändå var denna princip inte postulerad förrän flera år efter att Bohr föreslog sin modell. Trots allt detta är Bohrs förmodligen fortfarande modellen för atomen du är mest bekant med, eftersom det ofta är den som först introducerades under gymnasiet eller gymnasiet kemi kurser. Det har fortfarande sina användningsområden också; det är ganska praktiskt för att förklara kemisk bindning och reaktiviteten hos vissa grupper av element på en enkel nivå.

i alla fall krävde modellen fortfarande raffinering. Vid denna tidpunkt undersökte många forskare och försökte utveckla atomens kvantmodell. Chef bland dessa var österrikisk fysiker Erwin Schr Auddinger, som du förmodligen har hört talas om tidigare (han är killen med katten och lådan). År 1926 föreslog Schr Auddinger att elektronerna, snarare än elektronerna som rör sig i fasta banor eller skal, beter sig som vågor. Detta verkar lite konstigt, men du kommer förmodligen redan ihåg att ljus kan uppträda som både en våg och en partikel (vad som kallas en vågpartikeldualitet), och det visar sig att elektroner också kan.

Schr Ozydinger löste en serie matematiska ekvationer för att komma fram till en modell för fördelningarna av elektroner i en atom. Hans modell visar kärnan som omger av moln av elektrondensitet. Dessa moln är sannolikhetsmoln; även om vi inte vet exakt var elektronerna är, vet vi att de sannolikt kommer att hittas i givna regioner i rymden. Dessa regioner i rymden kallas elektronorbitaler. Det är kanske förståeligt varför gymnasiet kemi lektioner inte leder rakt med den här modellen, men det är den accepterade modellen idag, eftersom det tar lite mer tid att få huvudet runt!

Schr Ubidingers var inte riktigt det sista ordet på atomen. År 1932 upptäckte den engelska fysikern James Chadwick (en student av Ernest Rutherford) förekomsten av neutronen och fullbordade vår bild av de subatomära partiklarna som utgör en atom. Historien slutar inte där heller; fysiker har sedan upptäckt att protoner och neutroner som utgör kärnan själva är delbara i partiklar som kallas kvarkar – men det ligger utanför ramen för detta inlägg! Atomen ger oss i alla fall ett bra exempel på hur vetenskapliga modeller kan förändras över tiden och visar hur nya bevis kan leda till nya modeller.

haft det här inlägget & grafisk? Överväg att stödja Sammansatt ränta på Patreon och få förhandsvisningar av kommande inlägg & mer!

grafiken i den här artikeln är licensierad under en Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationell licens. Se webbplatsens riktlinjer för användning av innehåll.