Az atomelmélet az a tudományos elmélet , amely szerint az anyag atomoknak nevezett részecskékből áll . Az atomelmélet az atomizmus néven ismert ősi filozófiai hagyományból ered . Ezen elképzelés szerint, ha veszünk egy darab anyagot, és egyre kisebb darabokra vágjuk, végül eléri azt a pontot, ahol a darabokat nem lehet kisebbre vágni. Az ókori görög filozófusok ezeket a hipotetikus véges anyagrészecskéket atomosnak nevezték , ami azt jelenti, hogy "vágatlan".
Az 1800-as évek elején John Dalton tudós észrevette, hogy a vegyszerek úgy tűntek, hogy egyesülnek és tömegük szerint más anyagokká bomlanak le. Egyesek azt sugallják, hogy minden kémiai elem végső soron állandó súlyú, apró, oszthatatlan részecskékből áll. Nem sokkal 1850 után néhány fizikus kidolgozta a gázok és a hő kinetikai elméletét , amely matematikailag írta le a gázok viselkedését, feltételezve, hogy részecskékből állnak. A 20. század elején Albert Einstein és Jean Perrin bebizonyította, hogy a Brown-mozgást (a pollenszemcsék véletlenszerű mozgását a vízben) a vízmolekulák működése okozza ; ez a harmadik bizonyítéksor elnémította a tudósok kétségeit azzal kapcsolatban, hogy valóban léteznek-e atomok és molekulák. A tizenkilencedik században egyes tudósok arra figyelmeztettek, hogy az atomok létezésére vonatkozó bizonyítékok közvetettek, és ezért az atomok valójában nem is valóságosak, hanem csak valódinak látszanak.
A 20. század elejére a tudósok meglehetősen részletes és pontos modelleket dolgoztak ki az anyag szerkezetére vonatkozóan, ami a közönséges anyagot alkotó apró, láthatatlan részecskék szigorúbb osztályozásához vezetett. Az atomot ma már kémiai elemet alkotó alapvető részecskeként határozzák meg . A 20. század fordulóján a fizikusok felfedezték, hogy a vegyészek által "atomoknak" nevezett részecskék valójában még kisebb részecskék ( szubatomi részecskék ) agglomerációi voltak. Most az elemi részecske kifejezést a ténylegesen oszthatatlan részecskékre használják, és az atomok továbbra is a legkisebb részecskék, kémiailag oszthatatlanok.
Az az elképzelés, hogy az anyag egyedi egységekből áll, nagyon régi. Számos ókori kultúrában megjelent, például Görögországban és Indiában. Az "atom" szó más görögökben. A ἄτομος , azaz "vágatlan" szót a szókratész előtti görög filozófus , Leukipposz és tanítványa, Démokritosz (Kr. e. 460-370) alkotta meg [1] [2] [3] [4] . Démokritosz azt tanította, hogy az atomok száma végtelen, nem teremtettek és örökkévalóak, és egy objektum minősége az alkotó atomok típusától függ. Démokritosz atomizmusát a későbbi görög filozófus, Epikurosz (Kr. e. 341-270) és Lucretius (Kr. e. 99-55) római epikureus költő tökéletesítette és fejlesztette ki. A korai középkorban Nyugat-Európában az atomizmus szinte feledésbe merült. A 12. században ismét ismertté vált Nyugat-Európában Arisztotelész újonnan felfedezett írásaiban található utalások révén .
A 14. században az atomisztikus tanításokat leíró fontosabb munkák újrafelfedezése, köztük Lucretius De rerum natura és A híres filozófusok , Diogenész Laertész életéről, tanításairól és mondásairól szóló könyve , a tudósok fokozott figyelmére hívta fel ezt a témát. Mivel azonban az atomizmust az epikureanizmus filozófiájával társították , amely ellentétben állt az ortodox keresztény tanításokkal, az atomokba vetett hitet a legtöbb európai filozófus nem tartotta elfogadhatónak [3] . Pierre Gassendi francia katolikus pap (1592–1655) módosításokkal újjáélesztette az epikurei atomizmust, azzal érvelve, hogy az atomokat Isten teremtette, és bár nagyon sok van, nem végtelen. Ő volt az első, aki a "molekula" kifejezést használta az atomok aggregációjának leírására [4] . Gassendi módosított atomelméletét Franciaországban François Bernier orvos (1620–1688), Angliában pedig Walter Charlton (1619–1707) természetfilozófus népszerűsítette. Robert Boyle (1627–1691) kémikus és Isaac Newton (1642–1727) fizikus az atomizmus mellett állt, és a 17. század végére elfogadta a tudományos közösség.
A 18. század vége felé két olyan törvény jelent meg a kémiai reakciókra vonatkozóan, amelyek nem kapcsolódnak az atomelmélet fogalmához. Az első a tömegmegmaradás törvénye volt , amely szorosan kapcsolódik Antoine Lavoisier munkásságához , amely kimondja, hogy a kémiai reakcióban a teljes tömeg állandó marad (vagyis a reaktánsok tömege megegyezik a termékek tömegével) [5] . A második az összetétel állandóságának törvénye . Ez a törvény, amelyet először Joseph Proust francia kémikus hozott létre 1797-ben, kimondja, hogy ha egy vegyületet alkotó kémiai elemekre bomlik, akkor az alkotórészek tömege mindig azonos tömegarányú lesz, függetlenül a vegyület mennyiségétől vagy forrásától. a kiindulási anyag [6] .
John Dalton tanulmányozta és kibővítette ezt a korábbi munkáját, és megvédett egy új gondolatot, amelyet később a többszörös arány törvényének neveztek : ha ugyanaz a két elem kombinálható több különböző vegyületté, akkor a két elem tömegaránya a különféle vegyületeket kis egész számok ábrázolják. Ez egy gyakori minta a kémiai reakciókban, amelyeket Dalton és más korabeli vegyészek figyeltek meg.
1. példa – Ónoxidok: Dalton két ón-oxidot azonosított. Az egyik egy szürke por, amelyben minden 100 rész ónban 13,5 rész oxigén van. A másik oxid egy fehér por, amely 100 rész ónonként 27 rész oxigént tartalmaz [7] . 13,5 és 27 aránya 1:2. Ezeket az oxidokat ma ón(II) -oxidnak (SnO) és ón(IV) -oxidnak (SnO 2 ) nevezik.
2. példa Vas-oxidok: Dalton két vas-oxidot azonosított. Az egyik egy fekete por, amelyben 100 rész vasra körülbelül 28 rész oxigén jut. A másik egy vörös por, amelyben 100 rész vasra 42 rész oxigén jut [8] , 28 és 42 aránya 2:3. Ezeket az oxidokat ma vas(II) -oxidnak (ismertebb nevén wüstitnek ) és vas(III) -oxidnak (a rozsda fő összetevője) nevezik. Képletük FeO, illetve Fe 2 O 3 .
3. példa - Nitrogén-oxidok: Három nitrogén-oxid létezik, amelyek 80 g, 160 g és 320 g oxigént tartalmaznak minden 140 g nitrogénre, így az arány 1:2:4. Ezek a nitrogén-oxid (N 2 O), a nitrogén-oxid (NO) és a nitrogén-dioxid (NO 2 ).
Ez az ismétlődő minta arra utal, hogy a vegyszerek nem tetszőleges mennyiségben, hanem valamilyen alapvető oszthatatlan tömegegység többszörösében reagálnak.
Írásaiban Dalton az "atom" kifejezést bármely kémiai anyag alapvető részecskéire használta , és nem szigorúan az elemekre, ahogy az manapság megszokott. Dalton nem használta a „molekula” szót; helyette az "összetett atom" és az "elemi atom" kifejezéseket használta [9] . Dalton azt javasolta, hogy minden kémiai elem egy egyedi típusú atomból álljon, és bár kémiai úton nem módosíthatók vagy semmisíthetők meg, összetettebb szerkezetekké egyesülve kémiai vegyületeket képezhetnek . Ez jelentette az első valóban tudományos elméletet az atomról, mivel Dalton kísérletezéssel és az eredmények empirikus tanulmányozásával jutott következtetéseire.
1803-ban Dalton számos anyag relatív atomtömegének listájára hivatkozott a Manchesteri Irodalmi és Filozófiai Társaság előtt a különféle gázok, például a szén-dioxid és a nitrogén vízben való oldhatóságáról szóló beszédében. Dalton nem részletezte, hogyan származtatta a relatív súlyokat, de kezdetben azt javasolta, hogy az oldhatóság változása a gázrészecskék tömegének és összetettségének különbségei miatt következett be. Ezt az elképzelést a cikk 1805-ös megjelenéséig feladta . 10] . Az évek során több történész összefüggésbe hozta Dalton atomelméletének fejlődését a gázoldékonyság tanulmányozásával, de a laboratóriumi jegyzetfüzetének nemrégiben végzett vizsgálata azt mutatja, hogy 1803-ban kidolgozott egy kémiai atomelméletet, hogy összeegyeztesse Cavendish és Lavoisier analitikai adatait . a salétromsav összetételét, és nem a gázok vízben való oldhatóságát magyarázni [11] .
Thomas Thomson a The System of Chemistry [12] című könyvének harmadik kiadásában publikálta Dalton atomelméletének első összefoglalását . 1808-ban Dalton teljesebb beszámolót közölt a New System of Chemical Philosophy [13] első részében . Dalton azonban csak 1811-ben támasztotta alá többszörös arányú elméletét [14] .
Dalton az atomtömegeket az összeadódó tömegarányok szerint értékelte, a hidrogénatomot egynek véve. Dalton azonban nem feltételezte, hogy egyes elemek atomok a molekulákban – például a tiszta oxigén O 2 formájában létezik . Azt is tévesen feltételezte, hogy bármely két elem között a legegyszerűbb kötés mindig olyan állapot, amelyben minden elem egy atomja van (ezért gondolta, hogy a víz HO, nem pedig H 2 O) [15] . Ez a felszerelésének pontatlanságain kívül beszennyezte eredményeit. Például 1803-ban úgy gondolta, hogy az oxigénatomok 5,5-szer nehezebbek, mint a hidrogénatomok, mivel vízben 5,5 gramm oxigént mért minden 1 gramm hidrogénre, és úgy vélte, hogy a víz képlete HO. Jobb adatok birtokában 1806-ban arra a következtetésre jutott, hogy az oxigén atomtömege valójában 7, nem pedig 5,5, és ezt a súlyt élete végéig megőrizte. Más tudósok akkoriban már arra a következtetésre jutottak, hogy egy oxigénatom tömege 8 legyen a hidrogénhez viszonyítva, ami egyenlő 1-gyel, ha elfogadjuk a vízmolekula (HO) Dalton-képletét, vagy 16-ot, ha elfogadjuk a víz modern képletét (H). 2 O) [16 ] .
Dalton elméletének hibáját 1811-ben Amedeo Avogadro javította ki . Avogadro azt javasolta, hogy bármely két gáz azonos térfogata azonos hőmérsékleten és nyomáson azonos számú molekulát tartalmazzon (más szóval a gázrészecskék tömege nem befolyásolja az általa elfoglalt térfogatot) [17] . Avogadro törvénye lehetővé tette számára, hogy megállapítsa sok gáz kétatomos természetét azáltal, hogy tanulmányozta a reakcióba lépő térfogatokat. Például: mivel két liter hidrogén mindössze egy liter oxigénnel reagál, és két liter vízgőzt képez (állandó nyomáson és hőmérsékleten), ez azt jelenti, hogy egy oxigénmolekula két részre bomlik, és két vízrészecskét képez. Ily módon az Avogadro pontosabb becsléseket tudott adni az oxigén és különféle egyéb elemek atomtömegére vonatkozóan, és egyértelmű különbséget tudott tenni a molekulák és az atomok között.
1827-ben Robert Brown brit botanikus észrevette, hogy a vízben lebegő pollenszemcsékben lévő porszemcsék minden látható ok nélkül folyamatosan ingadoznak. 1905-ben Albert Einstein felvetette, hogy ezt a Brown-mozgást a részecskéket folyamatosan nyomó vízmolekulák okozzák, és kidolgozott egy hipotetikus matematikai modellt ennek leírására [18] . Ezt a modellt 1908-ban kísérletileg megerősítette Jean Perrin francia fizikus , további támogatást nyújtva a részecskék elméletéhez (és kiterjesztve az atomelmélethez).
Az atomokat az anyag legkisebb szerkezeti elemének tekintették 1897-ig, amikor J. J. Thomson felfedezte az elektront a katódsugarakkal kapcsolatos munkájában [19] .
A Crookes-cső egy lezárt üvegtartály, amelyben két elektródát vákuumrés választ el. Amikor feszültséget kapcsolunk az elektródákra , katódsugarak keletkeznek, amelyek egy izzó foltot hoznak létre, ahol a cső másik végén eltalálják az üveget. Thomson kísérletekkel fedezte fel, hogy a sugarakat elektromos térrel is el lehet téríteni (a már ismert mágneses tereken kívül ). Arra a következtetésre jutott, hogy ezek a sugarak nem a fény egyik formája, hanem nagyon könnyű , negatív töltésű részecskékből állnak, amelyeket "testtesteknek" nevezett ( más tudósok később elektronoknak nevezték el). Megmérte a tömeg és a töltés arányát, és megállapította, hogy az 1800-szor kisebb, mint a hidrogéné, a legkisebb atomé. Ezek a részecskék olyan részecskék voltak, mint a korábban ismert többi.
Thomson azt javasolta, hogy az atomok oszthatók, és hogy a testek építőkövei [20] . Az atom általános semleges töltésének magyarázatára azt javasolta, hogy a testek egyenletes pozitív töltéstengerben oszlanak el; ez volt a szilvapuding modell [21] , mert az elektronok pozitív töltésbe merültek, mint a mazsola a szilvapudingban (bár a Thomson-modellben nem voltak mozdulatlanok).
Thomson szilvapuding modelljét 1909-ben cáfolta egyik volt tanítványa, Ernest Rutherford , aki úgy találta, hogy az atom tömegének és pozitív töltésének nagy része a térfogatának egy nagyon kis részében összpontosul, amelyről azt feltételezte, hogy a középpontban van.
Ernest Rutherford és kollégái, Hans Geiger és Ernest Marsden megkérdőjelezték Thomson modelljét, miután nehézségekbe ütközött az alfa-részecskék töltés-tömeg arányának mérésére szolgáló műszer megalkotása (ezek bizonyos radioaktív anyagok, például a rádium által kibocsátott pozitív töltésű részecskék ). Az alfa-részecskéket a levegő szétszórta a detektorkamrában, így a mérések megbízhatatlanok voltak. Thomson hasonló problémával találkozott a katódsugarakkal kapcsolatos munkája során, amelyet úgy oldott meg, hogy műszereiben szinte tökéletes vákuumot hozott létre. Rutherford nem gondolta, hogy ugyanabba a problémába ütközne, mert az alfa-részecskék sokkal nehezebbek, mint az elektronok. Thomson atommodellje szerint az atomban lévő pozitív töltés nem eléggé koncentrált ahhoz, hogy elég erős elektromos mezőt hozzon létre ahhoz, hogy eltérítse az alfa-részecskéket, és az elektronok olyan könnyűek, hogy a sokkal nehezebb alfa-részecskék könnyen taszítják őket. Volt azonban szóródás, így Rutherford és munkatársai úgy döntöttek, hogy alaposan tanulmányozzák ezt a jelenséget [22] .
1908 és 1913 között Rutherford és munkatársai kísérletsorozatot végeztek, amelyben vékony fémfóliákat bombáztak alfa-részecskékkel. Észrevettek, hogy az alfa részecskék több mint 90°-kal elhajlanak. Ennek a megfigyelésnek a magyarázatára Rutherford azt javasolta, hogy az atom pozitív töltése nem oszlik el az egész atomban, ahogy Thomson hitte, hanem egy parányi magban koncentrálódik a központban. Csak egy ilyen intenzív töltéskoncentráció képes olyan erős elektromos teret létrehozni, amely elég erős ahhoz, hogy eltérítse az alfa-részecskéket, amint azt a kísérletben megfigyeltük [22] .
Az atom bolygómodelljének két jelentős hiányossága volt. Először is, a Nap körül keringő bolygókkal ellentétben az elektronok töltött részecskék. Ismeretes, hogy a gyorsuló elektromos töltés a klasszikus elektrodinamikában a Larmor-képlet szerint elektromágneses hullámokat sugároz . A keringő töltésnek folyamatosan energiát kell veszítenie, és spirálisan kell haladnia az atommag felé, a másodperc töredéke alatt összeütközve vele. A második probléma az volt, hogy a bolygómodell nem tudta megmagyarázni a magas csúcsú atomok megfigyelt emissziós és abszorpciós spektrumát .
A kvantumelmélet forradalmasította a fizikát a 20. század elején, amikor Max Planck és Albert Einstein azt feltételezte, hogy a fényenergiát kvantumoknak nevezett diszkrét mennyiségben bocsátják ki vagy nyelték el . 1913-ban Niels Bohr beépítette ezt az elképzelést az atom Bohr- modelljébe , amelyben az elektron csak bizonyos körpályákon, rögzített impulzusimpulzussal és -energiával, az atommagtól való távolságával (vagyis azok sugaraival) tudott keringeni az atommag körül. arányos az energiájával [23] . E modell szerint az elektron nem tud spirálozni és beleesni az atommagba, mert nem tud folyamatosan energiát veszíteni; ehelyett csak pillanatnyi " kvantumugrásokat " tudott végrehajtani a rögzített energiaszintek között . Amikor ez megtörtént, a fényt az energia változásával arányos frekvencián bocsátották ki vagy nyelték el (ezért a diszkrét abszorpciós és emissziós spektrum).
Bohr modellje nem volt tökéletes. Csak a hidrogén spektrumvonalait tudta megjósolni; nem tudta megjósolni ezeket a sokelektronos atomokra. Tovább rontotta a helyzetet, hogy a spektrográfiai technológia fejlődésével további spektrumvonalakat figyeltek meg a hidrogénben, amelyeket a Bohr-modell nem tudott megmagyarázni. 1916-ban Arnold Sommerfeld elliptikus pályákat adott Bohr modelljéhez, hogy további emissziós vonalakat vegyen figyelembe, de ez nagyon megnehezítette a modell használatát, és még mindig nem tudta megmagyarázni az összetettebb atomokat.
A radioaktív bomlástermékekkel végzett kísérletek során 1913-ban Frederick Soddy radiokémikus felfedezte, hogy a periódusos rendszer minden cellájában egynél több elem található [24] . Az izotóp kifejezést Margaret Todd találta megfelelő névként ezekre az elemekre.
Ugyanebben az évben J. J. Thomson végzett egy kísérletet, amelyben neonionok áramát irányította mágneses és elektromos mezőkön keresztül egy fotólemezre . Két izzó foltot vett észre a lemezen, amelyek két különböző elhajlási pályára utaltak. Thomson arra a következtetésre jutott, hogy ennek az az oka, hogy egyes neonionok tömege eltérő [25] . Ennek az eltérő tömegnek a természetét később a neutronok 1932-es felfedezésével magyarázták.
1917-ben Rutherford alfa-részecskékkel bombázta a nitrogént , és megfigyelte a gázból kibocsátott hidrogénatomokat (Rutherford felismerte őket, mert korábban hidrogént alfa-részecskékkel bombázva és a termékekben lévő hidrogénmagok megfigyelésével szerezte meg). Rutherford arra a következtetésre jutott, hogy a hidrogénatommagok magukból a nitrogénatomok magjából keletkeztek (sőt, ő hasította a nitrogént) [26] .
Rutherford saját, valamint tanítványai, Bohr és Henry Moseley munkái alapján tudta, hogy bármely atom pozitív töltése mindig egyenlő számú hidrogénatommag töltésével egyenlő. Ez, számos elem atomtömegével párosulva, amelyek nagyjából egyenértékűek egész számú hidrogénatommal, amelyeket akkoriban a legkönnyebb részecskéknek tekintettek, arra a következtetésre vezetett, hogy a hidrogénmagok egyedi részecskék, és az összes atommag fő alkotóelemei. Az ilyen részecskéket protonoknak nevezte . Rutherford további kísérletei kimutatták, hogy a legtöbb atom magtömege meghaladja a birtokukban lévő protonok tömegét; azt javasolta, hogy ez a többlettömeg korábban ismeretlen, semleges töltésű részecskékből áll, amelyeket kísérletileg " neutronoknak " neveztek.
1928-ban Walter Bothe megfigyelte, hogy a berillium elektromosan semleges sugárzást bocsát ki nagy áthatoló erővel, amikor alfa-részecskékkel bombázzák. Később kiderült, hogy ez a sugárzás képes hidrogénatomokat kiütni a paraffinból . Eredetileg nagy energiájú gammasugárzásnak gondolták , mivel a gammasugárzás hasonló hatással van a fémekben lévő elektronokra, de James Chadwick úgy találta, hogy az ionizációs hatás túl erős ahhoz, hogy elektromágneses sugárzás okozza, feltételezve, hogy az energia és a lendület kölcsönhatásban marad. 1932-ben Chadwick különféle elemeket, például hidrogént és nitrogént vetett ki a titokzatos "berilliumsugárzásnak", és a visszaszórt töltött részecskék energiáinak mérésével arra a következtetésre jutott, hogy ez a sugárzás valójában elektromosan semleges részecskékből áll, amelyek nem lehetnek tömegtelenek, mint a gamma. sugarak, hanem a proton tömegéhez hasonló tömegűek. Chadwick most Rutherford-neutronoknak nyilvánította ezeket a részecskéket [27] . A neutron felfedezéséért Chadwick 1935-ben Nobel-díjat kapott.
1924-ben Louis de Broglie azt javasolta, hogy minden mozgó részecske - különösen a szubatomi részecskék, például az elektronok - bizonyos hullámzó viselkedést mutatnak. Erwin Schrödingert , akit lenyűgözött ez az ötlet, azt vizsgálta, hogy az elektron mozgása egy atomban jobban megmagyarázható-e hullámként, nem pedig részecskeként. Az 1926-ban publikált Schrödinger-egyenlet [28] az elektront hullámfüggvényként írja le , nem pedig pontrészecskeként. Ez a megközelítés elegánsan megjósolt sok olyan spektrális jelenséget, amelyet a Bohr-modell nem tudott megmagyarázni. Noha ez a koncepció matematikailag kényelmes volt, nehéz volt elképzelni, és szembekerült az ellentmondásokkal [29] . Egyik kritikusa, Max Born ehelyett azt javasolta, hogy a Schrödinger-hullámfüggvény ne az elektront írja le, hanem annak összes lehetséges állapotát, és így kiszámítható legyen annak a valószínűsége, hogy az atommag körül tetszőleges helyen elektront találunk [30] . Ez összeegyeztette a részecskék és a hullámelektronok két ellentétes elméletét, és bevezették a hullám-részecske kettősség gondolatát . Ez az elmélet azt állította, hogy az elektron képes mind a hullám, mind a részecske tulajdonságait felmutatni. Például hullámként törhet, tömege pedig olyan, mint egy részecske [31] .
Az elektronok hullámleírásának következménye, hogy matematikailag lehetetlen egyidejűleg meghatározni egy elektron helyzetét és impulzusát. Werner Heisenberg elméleti fizikus után vált Heisenberg bizonytalansági elvként ismertté , aki először írta le és publikálta 1927-ben [32] . Ez megcáfolta Bohr modelljét a szép, jól meghatározott körpályáival. Az atom modern modellje valószínűségek alapján írja le az elektronok helyzetét az atomban. Az elektron potenciálisan az atommagtól bármely távolságban megtalálható, de energiaszintjétől függően gyakrabban létezik az atommag körüli egyes régiókban, mint másokban; ezt a régiót atompályájának nevezzük . A pályák különféle formájúak – gömb , súlyzó , tórusz stb. –, középen az atommaggal [33] .
Ha valamiféle globális katasztrófa következtében az összes felhalmozott tudományos ismeret megsemmisülne, és csak egy mondat szállna át az élőlények jövő nemzedékeire, akkor melyik kijelentés a legkevesebb szóból állna a legtöbb információ?
Úgy gondolom, hogy ez az atomhipotézis: minden test atomokból áll - kis testekből, amelyek állandó mozgásban vannak, kis távolságra vonzzák, de taszítják, ha az egyiket közelebb nyomják a másikhoz.
Ez az egy mondat hihetetlen mennyiségű információt tartalmaz a világról, csak egy kis fantáziát és egy kis megfontolást kell alkalmazni hozzá.R. Feynman .