Siitä lähtien, kun sitä ensimmäisen kerran ehdotti Demokritos 500-luvulla eaa. atomimalli on käynyt läpi useita parannuksia viimeisten muutaman tuhannen vuoden aikana. Sen vaatimattomasta alusta alkaen inerttinä, jakamattomana kiinteänä aineena, joka on mekaanisesti vuorovaikutuksessa muiden atomien kanssa, meneillään oleva tutkimus ja parannetut menetelmät ovat saaneet tutkijat päättelemään, että atomit koostuvat itse asiassa vielä pienemmistä hiukkasista, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa sähkömagneettisesti.
Tämä oli perusta atomiteorialle, jonka englantilainen fyysikko J.J. Thompson 1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa. Osana tuolloin tapahtuvaa vallankumousta Thompson ehdotti atomin mallia, joka koostui useammasta kuin yhdestä perusyksiköstä. Ulkonäkönsä perusteella, joka koostui 'yhtenäisen positiivisen varauksen merestä' elektronien jakautuneena kauttaaltaan, Thompsonin malli sai lempinimen 'Plum Pudding Model'.
Vaikka Plum Pudding -malli on nykyaikaisten standardien mukaan lakkautettu, se on tärkeä askel atomiteorian kehityksessä. Sen lisäksi, että se sisälsi uusia löytöjä, kuten elektronin olemassaolon, se esitteli myös käsityksen atomista ei-inerttinä, jaettavissa olevana massana. Tästä eteenpäin tiedemiehet ymmärtäisivät, että atomit koostuivat itse pienemmistä aineyksiköistä ja että kaikki atomit olivat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa monien eri voimien kautta.
Atomiteoria 1800-luvulle:
Varhaisimmat tunnetut esimerkit atomiteoriasta ovat peräisin antiikin Kreikasta ja Intiasta, joissa filosofit, kuten Demokritos, olettivat, että kaikki aine koostuu pienistä, jakamattomista ja tuhoutumattomista yksiköistä. Termi 'atomi' keksittiin muinaisessa Kreikassa, ja se synnytti 'atomismina' tunnetun ajatuskoulun. Tämä teoria oli kuitenkin enemmän filosofinen kuin tieteellinen käsite.
Erilaisia atomeja ja molekyylejä, kuten on kuvattu John Daltonin teoksessa A New System of Chemical Philosophy (1808). Luotto: Public Domain
Vasta 1800-luvulla atomiteoria muotoiltiin tieteelliseksi asiaksi, kun ensimmäiset todisteisiin perustuvat kokeet suoritettiin. Esimerkiksi 1800-luvun alussa englantilainen tiedemies John Dalton käytti atomin käsitettä selittääkseen, miksi kemialliset alkuaineet reagoivat tietyillä havaittavilla ja ennustettavilla tavoilla.
Dalton aloitti kysymyksellä, miksi alkuaineet reagoivat pienten kokonaislukujen suhteissa, ja päätteli, että nämä reaktiot tapahtuivat diskreettien yksiköiden – eli atomien – kokonaislukukerroina. Kaasuilla tehtyjen kokeiden avulla Dalton kehitti niin sanottua Daltonin atomiteoria . Tämä teoria laajensi 1700-luvun loppuun mennessä muotoiltuja massan ja määrällisten mittasuhteiden keskustelulakeja ja on edelleen yksi modernin fysiikan ja kemian kulmakivistä.
Teoriassa on viisi lähtökohtaa: elementit koostuvat puhtaimmassa tilassaan atomeiksi kutsutuista hiukkasista; tietyn alkuaineen atomit ovat kaikki samoja viimeiseen atomiin asti; eri alkuaineiden atomit voidaan erottaa toisistaan niiden atomipainon perusteella; alkuaineiden atomit yhdistyvät muodostaen kemiallisia yhdisteitä; atomeja ei voida luoda tai tuhota kemiallisessa reaktiossa, vain ryhmittely muuttuu jatkuvasti.
1800-luvun lopulla tiedemiehet alkoivat myös teoriaa, että atomi koostui useammasta kuin yhdestä perusyksiköstä. Useimmat tutkijat kuitenkin uskalsivat, että tämä yksikkö olisi pienimmän tunnetun atomin - vedyn - kokoinen. 1800-luvun loppuun mennessä tilanne muuttuisi radikaalisti.
Sivunäkymä eräänlaisesta Crookes-putkesta, jossa on seisova risti. Luotto: Wikimedia Commons/D-Kuru
Thompsonin kokeet:
Sir Joseph John Thomson (alias J.J. Thompson) oli englantilainen fyysikko ja Cambridgen yliopiston fysiikan cavendish-professori vuodesta 1884 lähtien. 1880- ja 1890-luvuilla hänen työnsä keskittyi pitkälti kemiallisten prosessien matemaattisten mallien kehittämiseen, energian muuntamiseen matemaattisesti ja teoreettisesti sekä sähkömagnetismiin.
Kuitenkin 1890-luvun lopulla hän alkoi tehdä kokeita katodisädeputkella, joka tunnetaan nimellä Crookesin putki . Tämä koostuu suljetusta lasisäiliöstä, jossa on kaksi elektrodia, jotka on erotettu toisistaan tyhjiöllä. Kun jännite kohdistetaan elektrodien yli, syntyy katodisäteitä (jotka ovat hehkuva kaasupala, joka ulottuu putken kauimpään päähän).
Kokeiden avulla Thomson havaitsi, että sähkö- ja magneettikentät voivat kääntää nämä säteet. Hän päätteli, että sen sijaan, että ne koostuisivat valosta, ne koostuivat negatiivisesti varautuneista hiukkasista, joita hän kutsui 'korpuskkeleiksi'. Mittaaessaan näiden hiukkasten massa-varaussuhteen hän havaitsi, että ne olivat 100 kertaa pienempiä ja 1800 kertaa kevyempiä kuin vety.
Tämä kumosi käytännössä käsityksen, että vetyatomi oli aineen pienin yksikkö, ja Thompson meni pidemmälle ehdottaen, että atomit olivat jaettavissa. Selittääkseen atomin kokonaisvarauksen, joka koostui sekä positiivisista että negatiivisista varauksista, Thompson ehdotti mallia, jossa negatiivisesti varautuneet solut jakautuivat tasaiseen positiivisen varauksen mereen.
Kuvaus heliumatomin atomirakenteesta. Luotto: Creative Commons
Näitä hiukkasia nimettiin myöhemmin 'elektroneiksi' perustuen teoreettiseen hiukkaseen, jonka englantilais-irlantilainen fyysikko George Johnstone Stoney ennusti vuonna 1874. Tästä syntyi Plum Pudding -malli, joka nimettiin näin, koska se muistutti läheisesti Englannin aavikkoa, joka koostuu luumukakku ja rusinoita. Konsepti esiteltiin maailmalle Britannian maaliskuussa 1904 Filosofinen aikakauslehti ,laajaan suosioon.
Ongelmia luumuvanukasmallin kanssa:
Valitettavasti myöhemmät kokeet paljastivat useita tieteellisiä ongelmia mallin kanssa. Ensinnäkin ongelmana oli osoittaa, että atomilla oli yhtenäinen positiivinen taustavaraus, joka tuli tunnetuksi 'Thomson-ongelmana'. Viisi vuotta myöhemmin Hans Geiger ja Ernest Marsden kumosivat mallin, jotka suorittivat sarjan kokeita käyttämällä alfahiukkasia ja kultafoliota.
Siinä, mitä tullaan tunnetuksi nimellä ' kultafoliokokeilu ', he mittasivat alfahiukkasten sirontakuvion fluoresoivalla näytöllä. Jos Thomsonin malli olisi oikea, alfahiukkaset kulkisivat kalvon atomirakenteen läpi esteettä. He kuitenkin huomauttivat sen sijaan, että vaikka useimmat ampuivat suoraan läpi, osa heistä oli hajallaan eri suuntiin, ja jotkut palasivat lähteen suuntaan.
Geiger ja Marsden päättelivät, että hiukkaset olivat kohdanneet sähköstaattisen voiman, joka oli paljon suurempi kuin Thomsonin malli sallii. Koska alfahiukkaset ovat vain heliumytimiä (jotka ovat positiivisesti varautuneita), tämä merkitsi sitä, että atomin positiivinen varaus ei ollut laajalti hajallaan, vaan keskittynyt pieneen tilavuuteen. Lisäksi se tosiasia, että ne hiukkaset, jotka eivät joutuneet taipumaan, kulkivat esteettömästi läpi, merkitsi sitä, että nämä positiiviset tilat erottivat valtavat tyhjän tilan kuilut.
Gieger-Marsden-kokeen odotetut tulokset (vasemmalla) ja todelliset tulokset (oikealla). Luotto: Wikimedia Commons/Kurzon
.
Vuoteen 1911 mennessä fyysikko Ernest Rutherford tulkitsi Geiger-Marsdenin kokeita ja hylkäsi Thomsonin atomimallin. Sen sijaan hän ehdotti mallia, jossa atomi koostui enimmäkseen tyhjästä tilasta, jonka kaikki positiivinen varaus oli keskittynyt sen keskelle hyvin pieneen tilavuuteen, jota ympäröi elektronipilvi. Tämä tuli tunnetuksi nimellä Rutherford malli atomista.
Antonius Van den Broekin ja Neils Bohrin myöhemmät kokeet tarkensivat mallia edelleen. Van den Broek ehdotti, että elementin atomiluku on hyvin samanlainen kuin sen ydinvaraus, kun taas jälkimmäinen ehdotti aurinkojärjestelmän kaltaista atomin mallia, jossa ydin sisältää positiivisen varauksen atomiluvun ja sitä ympäröi yhtä suuri elektronien lukumäärä kiertoradan kuorissa (alias Bohrin malli ).
Vaikka Thomsonin 'luumuvanukasmalli' tulisikin huonoon arvoon vain viiden vuoden kuluttua, se osoittautuisi ratkaisevaksi askeleeksi Vakiomalli hiukkasfysiikasta. Hänen työnsä atomien jakautumisen määrittämisessä sekä sähkömagneettisten voimien olemassaolo atomissa osoittautuvat myös suureksi vaikutukseksi kvanttifysiikan alaan.
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita atomiteoriasta täällä Universe Today -sivustolla. Esimerkiksi tässä Kuinka monta atomia universumissa on? , John Daltonin atomimalli , Mitkä ovat atomin osat? , Bohrin atomimalli ,
Lisätietoja saat Physic's Worlds -sivuilta 100 vuotta elektronia: löydöstä sovellukseen ja Protoni- ja neutronimassat laskettu ensimmäisistä periaatteista
Astronomy Castilla on myös joitain jaksoja aiheesta: Jakso 138: Kvanttimekaniikka , Jakso 139: Energiatasot ja spektrit, Jakso 378: Rutherford ja atomit ja Jakso 392: Vakiomalli – Johdanto .