I kjemi og fysikk er atomteori en vitenskapelig teori om materiens natur som hevder at den er sammensatt av diskrete enheter kalt atomer . Det begynte som et filosofisk konsept i antikkens Hellas og fikk vitenskapelig aksept på begynnelsen av 1800-tallet da oppdagelser innen kjemi viste at materie faktisk oppførte seg som om den var laget av atomer.
Ordet atom kommer fra det eldgamle greske adjektivet atomer , som betyr "udelelige". Kjemikere fra det nittende århundre begynte å bruke begrepet i forbindelse med det økende antallet irreduserbare kjemiske grunnstoffer. [ 1 ] Rundt neste århundreskifte, gjennom forskjellige eksperimenter med elektromagnetisme og radioaktivitet , oppdaget fysikere at "udelelige atomer" faktisk var en konglomerasjon av forskjellige subatomære partikler (primært elektroner , protoner og nøytroner ), de som kan eksistere hver for seg. fra hverandre. Faktisk, i visse ekstreme miljøer, som nøytronstjerner , forhindrer ekstremt trykk og temperatur at atomer i det hele tatt kan eksistere.
Siden det ble oppdaget at atomer kunne deles, oppfant fysikere begrepet " elementærpartikler " for å beskrive de "udelelige", men ikke uforgjengelige delene av et atom. Vitenskapsfeltet som studerer subatomære partikler er partikkelfysikk , og det er i dette feltet fysikere håper å oppdage materiens sanne grunnleggende natur.
Ideen om at materie er laget av diskrete enheter er veldig gammel, og oppstår i mange eldgamle kulturer som Hellas ( Demokritus , Leucippus av Milet ), Roma ( Lukretius ) og India ( Ajivika og Cārvāka Jains og Nyaya og Vaisheshika skolene ). Imidlertid ble disse ideene basert på filosofisk og teologisk resonnement snarere enn på bevis og eksperimentering. På grunn av dette kunne de ikke overbevise alle, og atomisme var en av flere rivaliserende teorier om materiens natur. Det var ikke før på 1800-tallet at forskere omfavnet og foredlet ideen, ettersom den spirende kjemivitenskapen ga funn som lett kunne forklares ved hjelp av atombegrepet. Den fremhever også innflytelsen fra den serbiske forskeren Ruđer Bošković (1711-1787), den første som skisserte en moderne atomteori om Newtonsk grunnlag som etablerer samholds- og frastøtningskrefter. [ 2 ]
Nær slutten av det attende århundre dukket to lover for kjemiske reaksjoner opp uten referanse til ideen om en atomteori. Den første var Law of Conservation of Mass , formulert av Antoine Lavoisier i 1789, som sier at den totale massen forblir konstant etter en kjemisk reaksjon (det vil si at reaktantene har samme masse som produktene). [ 3 ] Den andre var loven om konstante proporsjoner . Opprinnelig bevist av den franske farmasøyten Joseph Louis Proust i 1799, sier denne loven at hvis en forbindelse brytes ned til dens bestanddeler, vil massene av elementene alltid ha samme proporsjoner, uavhengig av mengden eller kilden til det opprinnelige stoffet. [ 4 ]
John Dalton studerte og utvidet dette tidligere arbeidet og utviklet loven om flere proporsjoner : Hvis to elementer kan kombineres for å danne et hvilket som helst antall mulige forbindelser, vil forholdet mellom massene til det andre elementet som kombineres med en fast masse av det første elementet være forholdstall av små hele tall. For eksempel: Proust hadde studert tinnoksider og funnet ut at massene deres var 88,1 % tinn og 11,9 % oksygen eller 78,7 % tinn og 21,3 % oksygen (disse var henholdsvis tinn(II)oksid og tinndioksid). Dalton bemerket i disse prosentene at 100 g tinn vil kombineres med 13,5 g eller 27 g oksygen; 13,5 og 27 danner et forhold på 1:2. Dalton oppdaget at en atomteori om materie elegant kunne forklare dette vanlige mønsteret i kjemi. Når det gjelder Proust-tinnoksider, vil ett tinnatom kombineres med ett eller to oksygenatomer. [ 5 ]
Dalton mente også at atomteori kunne forklare hvorfor vann absorberer forskjellige gasser i forskjellige proporsjoner. For eksempel fant han ut at vann absorberer karbondioksid mye bedre enn nitrogen . [ 6 ] Dalton antok at dette skyldtes forskjeller i masse og kompleksitet til partiklene til de respektive gassene. Faktisk er karbondioksid (CO 2 ) molekyler tyngre og større enn nitrogen (N 2 ) molekyler.
Han foreslo at hvert kjemisk element er sammensatt av atomer av bare én type, og selv om disse ikke kan endres eller ødelegges med kjemiske midler, kan de kombineres for å danne mer komplekse strukturer (kjemiske forbindelser). Dette markerer den første virkelig vitenskapelige teorien om atomet, da Dalton nådde sine konklusjoner ved å eksperimentere og undersøke resultatene empirisk.
I 1803 presenterte han sin første liste over relative atomvekter for en rekke stoffer. Denne artikkelen ble publisert i 1805, men i den diskuterte ikke Dalton nøyaktig hvordan han fikk disse tallene. [ 6 ] Metoden ble avslørt i 1807 av hans bekjente Thomas Thomson, i den tredje utgaven av Thomsons bok, A System of Chemistry . Til slutt publiserte Dalton en fullstendig forklaring i sin egen tekst, A New System of Chemical Philosophy (1808 og 1810).
Dalton estimerte atomvektene i henhold til masseproporsjonene de er kombinert i, og tok hydrogenatomet som enhet. Imidlertid unnfanget Dalton noen elementer som eksisterer i en molekylær tilstand: for eksempel eksisterer rent oksygen som O 2 . Han trodde også feilaktig at den enkleste forbindelsen av to grunnstoffer alltid er ett atom av hvert (så han trodde vann var HO, ikke H 2 O). [ 7 ] Dette, lagt til råheten til utstyret hans, ødela resultatene hans. For eksempel trodde han i 1803 at oksygenatomer var 5,5 ganger tyngre enn hydrogenatomer, fordi han i vann målte 5,5 gram oksygen for hvert gram hydrogen og mente at formelen for vann var HO . Med bedre data konkluderte han i 1806 med at atomvekten til oksygen faktisk burde være 7 i stedet for 5,5, og denne vekten beholdt han resten av livet. Andre i disse tider hadde allerede konkludert med at oksygenatomet må veie 8 hydrogenatomer hvis man antar Daltons formel for vannmolekylet (HO), eller 16 hvis man antar den moderne formelen (H 2 O). [ 8 ]
Feilen i Daltons teori ble først rettet i 1811 av Amedeo Avogadro . Avogadro hadde foreslått at like volumer av to gasser, ved likt trykk og temperatur, inneholder like mange molekyler (med andre ord, massen til partiklene til en gass påvirker ikke volumet den opptar). [ 9 ] Avogadros lov tillot ham å utlede den diatomiske naturen til mange gasser ved å studere volumene de reagerer i. For eksempel: siden to liter hydrogen vil reagere med en enkelt liter oksygen for å produsere to liter vanndamp (ved konstant temperatur og trykk), betyr det at et enkelt oksygenmolekyl deler seg i to og danner to vannpartikler. På denne måten var Avogadro i stand til å gi mer presise estimater av atommassen til oksygen og flere andre grunnstoffer og gjorde et klart skille mellom molekyler og atomer.
I 1827 observerte den britiske botanikeren Robert Brown at støvpartikler inne i pollenkorn som flyter i vann konstant vibrerer uten noen åpenbar grunn. I 1905 teoretiserte Albert Einstein at denne Brownske bevegelsen var forårsaket av kontinuerlig banking av vannmolekyler og utviklet en matematisk modell for å beskrive den. [ 10 ] I 1908 validerte den franske fysikeren Jean Perrin den eksperimentelt, noe som ga ytterligere validering av den spesielle teorien (og i forlengelsen av atomteorien).
Fram til 1897 ble atomer antatt å være den minste inndelingen av materie, da JJ Thomson oppdaget elektronet gjennom sitt katodestrålerør- eksperiment . [ 11 ] Katodestrålerøret brukt av Thomson var en lukket glassbeholder, der de to elektrodene ble separert med et vakuum. Når en spenningsforskjell påføres elektrodene, genereres katodestråler , som skaper en fosforescerende glød når de treffer den motsatte enden av glassrøret. Gjennom eksperimentering fant Thomson at stråler ble bøyd ved å påføre et elektrisk felt (i tillegg til å bli bøyd av magnetiske felt , som allerede var kjent). Han hevdet at disse strålene, snarere enn bølger , var sammensatt av negativt ladede partikler som han kalte "korpuskler" (senere omdøpt til elektroner av andre forskere ).
Thomson mente at blodlegemene oppsto fra atomene i elektroden. På denne måten bestemte han at atomer var delbare, og at blodlegemer var deres komponenter. For å forklare den nøytrale ladningen til atomet foreslo han at blodlegemene ble fordelt i ringstrukturer innenfor en jevn positiv sky; dette var Thomsons atommodell eller "plommekakemodell". [ 12 ]
Siden det ble funnet at atomer faktisk var delbare, oppfant fysikere senere begrepet " elementærpartikler " for å betegne udelelige partikler.
Thomsons atommodell ble motbevist i 1909 av en av studentene hans, Ernest Rutherford , som oppdaget at det meste av massen og den positive ladningen til et atom var konsentrert i en veldig liten brøkdel av volumet, som han antok var i samme senter.
I sitt eksperiment bombarderte Hans Geiger og Ernest Marsden alfapartikler gjennom en tynn gullfolie (som ville kollidere med en fluorescerende skjerm de hadde plassert rundt folien). [ 13 ] Gitt minimumsmassen av elektroner, den høye massen og bevegelsesmengden til alfapartikler og den jevne fordelingen av positiv ladning i Thomsons modell, forventet disse forskerne at alle alfapartikler ville passere uavbøyd gjennom gullfolien. , eller tvert imot. , at de ble absorbert. Til hans forbauselse gjennomgikk en liten brøkdel av alfapartiklene en sterk avbøyning. Dette førte til at Rutherford foreslo den planetariske modellen av atomet, der elektronene kretset i rommet rundt en stor kompakt kjerne , omtrent som planetene og solen. [ 14 ]
I 1913 kanaliserte Thomson en strøm av neonioner gjennom elektriske og magnetiske felt til de kolliderte med en fotografisk plate han hadde plassert på den andre siden. Han observerte to glødende områder på platen, og avslørte to forskjellige avbøyningsbaner. Thomson konkluderte med at dette var fordi noen av neonionene hadde forskjellige masser; dette var hvordan han oppdaget eksistensen av isotoper . [ 15 ]
I 1918 lyktes Rutherford med å splitte atomkjernen ved å bombardere nitrogengass med alfapartikler, og observerte at gassen ga fra seg hydrogenkjerner. Rutherford konkluderte med at hydrogenkjernene kom fra kjernene til de samme nitrogenatomene. [ 16 ] Han oppdaget senere at den positive ladningen på ethvert atom alltid var lik et helt antall hydrogenkjerner. Dette, sammen med det faktum at hydrogen, det letteste grunnstoffet, hadde en atommasse på 1, førte til at han hevdet at hydrogenkjerner var enkeltstående partikler, de grunnleggende bestanddelene i alle atomkjerner: protonet var oppdaget . Et senere eksperiment av Rutherford viste at kjernemassen til de fleste atomer oversteg antallet protoner de inneholdt. Derfor postulerte han eksistensen av uladede partikler, hittil ukjente senere kalt nøytroner, som denne overflødige massen ville komme fra.
I 1928 observerte Walther Bothe at beryllium ga fra seg elektrisk nøytral stråling når den ble bombardert med alfapartikler. I 1932 utsatte James Chadwick forskjellige elementer for denne strålingen og utledet at den var sammensatt av elektrisk nøytrale partikler med en masse som ligner på et proton. [ 17 ] Chadwick kalte disse partiklene " nøytroner ".
Den planetariske modellen av atomet hadde sine feil. For det første, i henhold til Larmor-formelen for klassisk elektromagnetisme , sender en akselererende elektrisk ladning ut elektromagnetiske bølger , og en ladning i bane vil miste energi og spiral til den ender opp med å falle inn i kjernen. Et annet fenomen som modellen ikke forklarte, var hvorfor eksiterte atomer bare sender ut lys med visse diskrete spektre .
Kvanteteori revolusjonerte fysikken på begynnelsen av 1900-tallet , da Max Planck og Albert Einstein postulerte at en liten mengde energi slippes ut eller absorberes i faste mengder kalt kvanter . I 1913 inkorporerte Niels Bohr denne ideen i sin atommodell , der elektronene bare kunne gå i bane rundt kjernen i visse sirkulære baner, med en fast energi og vinkelmomentum , og avstandene fra kjernen var proporsjonale med de respektive energinivåene. Energi. [ 18 ] I følge denne modellen kunne ikke atomer spiralere mot kjernen fordi de ikke kontinuerlig kunne miste energi; i stedet kunne de bare gjøre øyeblikkelige " kvantehopp " mellom de faste energinivåene . [ 19 ] Når dette skjer, absorberer eller sender atomet ut lys med en frekvens proporsjonal med energiforskjellen (derav absorpsjon og emisjon av lys i diskrete spektre). [ 19 ] Arnold Sommerfeld utvidet Bohr-atomet i 1916 til å inkludere elliptiske baner, ved å bruke en generalisert momentumkvantisering.
Ad hoc Bohr-Sommerfeld-modellen var veldig vanskelig å bruke, men ga i stedet fantastiske spådommer basert på visse spektrale egenskaper. Imidlertid var han ikke i stand til å forklare multielektronatomer, forutsi overgangshastigheten eller beskrive fine og hyperfine strukturer.
I 1924 foreslo Louis de Broglie at alle objekter - spesielt subatomære partikler som elektroner - kunne ha egenskapene til bølger . Erwin Schrödinger , fascinert av denne ideen, undersøkte om bevegelsen til et elektron i et atom bedre kunne forklares som en bølge enn som en partikkel. Schrödinger - ligningen , publisert i 1926, [ 20 ] beskriver elektronet som en bølgefunksjon i stedet for en partikkel, og forutså mange av spektralfenomenene som Bohr-modellen ikke kunne forklare. Selv om dette konseptet var matematisk riktig, var det vanskelig å visualisere, og det hadde sine kritikere. [ 21 ] En av hans kritikere, Max Born , sa at Schrödinger-bølgefunksjonen ikke beskrev elektronet, men mange av dets mulige tilstander, og dermed kunne brukes til å beregne sannsynligheten for å finne et elektron i en gitt posisjon rundt kjernen. . [ 22 ]
I 1927 påpekte Werner Heisenberg at siden en bølgefunksjon er bestemt av tid og posisjon, er det umulig å samtidig oppnå nøyaktige verdier for både posisjon og momentum til partikkelen for et gitt tidspunkt. [ 23 ] Dette prinsippet ble kjent som Heisenbergs usikkerhetsprinsipp .
Denne nye tilnærmingen gjorde Bohrs modell fullstendig ugyldig, med dens klart definerte sirkulære baner. Den moderne modellen av atomet beskriver posisjonene til elektronene i et atom i form av sannsynligheter . Et elektron kan potensielt finnes i hvilken som helst avstand fra kjernen, men – avhengig av energinivået – har det en tendens til å være oftere i visse områder rundt kjernen enn i andre; disse sonene er kjent som atomorbitaler .
Betydningen av denne teorien kan ikke overvurderes. Det har blitt sagt (for eksempel nobelprisvinner Richard Feynman ) at atomteorien er den viktigste teorien i vitenskapshistorien . [ referanse nødvendig ] Dette er på grunn av implikasjonene det har hatt, både for grunnleggende vitenskap og for applikasjonene som har blitt avledet fra det.
All moderne kjemi og biokjemi er basert på teorien om at materie er sammensatt av atomer av forskjellige elementer , som ikke kan omdannes med kjemiske metoder. For sin del har kjemi tillatt utviklingen av farmasøytisk , petrokjemisk industri , gjødselindustri , utvikling av nye materialer , inkludert halvledere , og andre fremskritt.