Odkar ga je prvič predlagal Demokrit v 5. stoletju pred našim štetjem je atomski model v zadnjih nekaj tisoč letih doživel več izboljšav. Od svojih skromnih začetkov kot inertne, nedeljive trdne snovi, ki mehansko deluje z drugimi atomi, so nenehne raziskave in izboljšane metode pripeljale znanstvenike do zaključka, da so atomi dejansko sestavljeni iz še manjših delcev, ki medsebojno delujejo elektromagnetno.
To je bila osnova atomske teorije, ki jo je razvil angleški fizik J.J. Thompson v poznem 19. in zgodnjem 20. stoletju. Kot del revolucije, ki se je takrat dogajala, je Thompson predlagal model atoma, ki je sestavljen iz več kot ene temeljne enote. Na podlagi svojega videza, ki je bil sestavljen iz 'morja enotnega pozitivnega naboja' z elektroni, razporejenimi po vsem, je Thompsonov model dobil vzdevek 'model slivovega pudinga'.
Čeprav model Plum Pudinga po sodobnih standardih ne deluje, predstavlja pomemben korak v razvoju atomske teorije. Ne samo, da je vključeval nova odkritja, kot je obstoj elektrona, uvedel je tudi pojem atoma kot neinertne, deljive mase. Odslej bodo znanstveniki razumeli, da so atomi sami sestavljeni iz manjših enot snovi in da so vsi atomi medsebojno delovali s pomočjo številnih različnih sil.
Atomska teorija do 19. stoletja:
Najzgodnejši znani primeri atomske teorije prihajajo iz antične Grčije in Indije, kjer so filozofi, kot je Demokrit, domnevali, da je vsa snov sestavljena iz drobnih, nedeljivih in neuničljivih enot. Izraz 'atom' je bil skovan v stari Grčiji in je povzročil šolo mišljenja, znano kot 'atomizem'. Vendar je bila ta teorija bolj filozofski koncept kot znanstveni.
Različni atomi in molekule, kot so prikazani v New System of Chemical Philosophy (1808) Johna Daltona. Zasluge: javna domena
Šele v 19. stoletju se je teorija atomov začela artikulirati kot znanstvena zadeva, pri čemer so bili izvedeni prvi eksperimenti, ki temeljijo na dokazih. Na primer, v zgodnjih 1800-ih je angleški znanstvenik John Dalton uporabil koncept atoma, da bi pojasnil, zakaj so kemični elementi reagirali na določene opazne in predvidljive načine.
Dalton je začel z vprašanjem, zakaj elementi reagirajo v razmerjih majhnih celih številk, in zaključil, da so se te reakcije zgodile v celoštevilskih večkratnikih diskretnih enot – to je atomov. Z vrsto eksperimentov s plini je Dalton razvil tisto, kar je znano kot Daltonova atomska teorija . Ta teorija se je razširila na zakone pogovora o masi in določenih razsežnostih – oblikovane do konca 18. stoletja – in ostaja eden od temeljnih kamnov sodobne fizike in kemije.
Teorija se spušča na pet predpostavk: elementi so v svojem najčistejšem stanju sestavljeni iz delcev, imenovanih atomi; atomi določenega elementa so vsi enaki, do zadnjega atoma; atome različnih elementov lahko ločimo po njihovi atomski masi; atomi elementov se združijo v kemične spojine; atomov ni mogoče ustvariti ali uničiti v kemični reakciji, spreminja se le združevanje.
Do poznega 19. stoletja so znanstveniki začeli tudi teoretizirati, da je atom sestavljen iz več kot ene temeljne enote. Vendar se je večina znanstvenikov odločila, da bi bila ta enota velikost najmanjšega znanega atoma - vodika. Do konca 19. stoletja se je situacija drastično spremenila.
Bočni pogled na nekakšno Crookesovo cev s stoječim križem. Zasluge: Wikimedia Commons/D-Kuru
Thompsonovi eksperimenti:
Sir Joseph John Thomson (aka J.J. Thompson) je bil angleški fizik in profesor fizike v Cavendishu na Univerzi v Cambridgeu od leta 1884 dalje. V 1880-ih in 1890-ih se je njegovo delo v veliki meri vrtelo okoli razvoja matematičnih modelov za kemične procese, transformacije energije v matematičnem in teoretičnem smislu ter elektromagnetizma.
Vendar je do poznih 1890-ih začel izvajati poskuse z uporabo katodne cevi, znane kot Crookesova cev . Sestavljen je iz zaprte steklene posode z dvema elektrodama, ki sta ločeni z vakuumom. Ko se na elektrode dovaja napetost, nastanejo katodni žarki (ki so v obliki žarečega zaplata plina, ki se razteza do skrajnega konca cevi).
Z eksperimentiranjem je Thomson opazil, da bi te žarke lahko odklonila električna in magnetna polja. Sklenil je, da so namesto iz svetlobe sestavljeni iz negativno nabitih delcev, ki jih je imenoval 'telesca'. Ko je izmeril razmerje med maso in nabojem teh delcev, je odkril, da so 1ooo-krat manjši in 1800-krat lažji od vodika.
To je dejansko ovrglo idejo, da je atom vodika najmanjša enota snovi, in Thompson je šel še dlje in predlagal, da so atomi deljivi. Za razlago celotnega naboja atoma, ki je bil sestavljen iz pozitivnih in negativnih nabojev, je Thompson predlagal model, po katerem so bila negativno nabita telesca porazdeljena v enotnem morju pozitivnega naboja.
Prikaz atomske strukture atoma helija. Zasluge: Creative Commons
Te celice so kasneje poimenovali 'elektroni', na podlagi teoretičnega delca, ki ga je leta 1874 napovedal anglo-irski fizik George Johnstone Stoney. Iz tega se je rodil model Plum Pudding, imenovan tako, ker je zelo podoben angleški puščavi, ki je sestavljena iz slivov kolač in rozine. Koncept je bil svetu predstavljen v britanski izdaji marca 1904 Filozofska revija ,na široko priznanje.
Težave z modelom slivovega pudinga:
Na žalost so kasnejši poskusi razkrili številne znanstvene težave z modelom. Za začetek je bil problem dokazovanja, da ima atom enoten pozitivni naboj ozadja, ki je postal znan kot 'Thomsonov problem'. Pet let pozneje sta model ovrgla Hans Geiger in Ernest Marsden, ki sta izvedla vrsto poskusov z alfa delci in zlato folijo.
V tem, kar bi postalo znano kot ' eksperiment z zlato folijo “, so s fluorescentnim zaslonom izmerili vzorec sipanja alfa delcev. Če bi bil Thomsonov model pravilen, bi alfa delci neovirano prešli skozi atomsko strukturo folije. Vendar so namesto tega ugotovili, da je večina streljala naravnost, nekateri pa so bili raztreseni v različnih smereh, nekateri pa so se vrnili v smeri vira.
Geiger in Marsden sta ugotovila, da so delci naleteli na elektrostatično silo, ki je veliko večja od tiste, ki jo dovoljuje Thomsonov model. Ker so delci alfa samo helijeva jedra (ki so pozitivno nabita), je to pomenilo, da pozitivni naboj v atomu ni bil široko razpršen, ampak koncentriran v majhnem volumnu. Poleg tega je dejstvo, da so tisti delci, ki se niso odklonili, neovirano šli skozi, pomenilo, da so bili ti pozitivni prostori ločeni z ogromnimi zalivi praznega prostora.
Pričakovani rezultati Gieger-Marsdenovega eksperimenta (levo) in dejanski rezultati (desno). Zasluge: Wikimedia Commons/Kurzon
.
Do leta 1911 je fizik Ernest Rutherford interpretiral eksperimente Geiger-Marsden in zavrnil Thomsonov model atoma. Namesto tega je predlagal model, kjer je atom sestavljen večinoma iz praznega prostora, z vsem svojim pozitivnim nabojem, koncentriranim v njegovem središču v zelo majhnem volumnu, ki je bil obdan z oblakom elektronov. To je postalo znano kot Rutherfordov model atoma.
Naknadni poskusi Antoniusa Van den Broeka in Neilsa Bohra so model dodatno izpopolnili. Medtem ko je Van den Broek predlagal, da je atomsko število elementa zelo podobno njegovemu jedrskemu naboju, je slednji predlagal model atoma, podoben sončnemu sistemu, kjer jedro vsebuje atomsko število pozitivnega naboja in je obkroženo z enakim nabojem. število elektronov v orbitalnih lupinah (alias Bohrov model ).
Čeprav bi bil diskreditiran v samo petih letih, bi se Thomsonov »model slivovega pudinga« izkazal za ključni korak v razvoju Standardni model fizike delcev. Njegovo delo pri ugotavljanju, da so atomi deljivi, kot tudi obstoj elektromagnetnih sil v atomu, bi se prav tako izkazalo za velik vpliv na področje kvantne fizike.
Na Universe Today smo napisali veliko zanimivih člankov na temo atomske teorije. Tukaj je na primer Koliko atomov je v vesolju? , Atomski model Johna Daltona , Kateri so deli atoma? , Bohrov atomski model ,
Za več informacij obiščite strani Physic’s Worlds na 100 let elektrona: od odkritja do uporabe in Mase protonov in nevtronov, izračunane iz prvih načel
Astronomy Cast ima tudi nekaj epizod na to temo: Epizoda 138: Kvantna mehanika , Epizoda 139: Energetske ravni in spektri, Epizoda 378: Rutherford in atomi in Epizoda 392: Standardni model – Uvod .