Krótka historia teorii atomowej

Zaczęło się od atomizmu, który ostatecznie doprowadził do mechaniki kwantowej

Teoria atomowa jest naukowym opisem natury atomy oraz materiał który łączy w sobie elementy fizyki, chemii i matematyki. Według współczesnej teorii materia składa się z maleńkich cząstek zwanych atomami, które z kolei składają się z cząstki elementarne . Atomy danego element są identyczne pod wieloma względami i różnią się od atomów innych pierwiastków. Atomy łączą się w stałym proporcje z innymi atomami do utworzenia Cząsteczki i związki.

Teoria ewoluowała z biegiem czasu, od filozofii atomizmu do współczesnej mechaniki kwantowej. Oto krótka historia teorii atomowej:

Atom i atomizm

Grecki filozof Demokryt.

Ojimorena / Getty Images

Teoria atomowa powstała jako koncepcja filozoficzna w starożytnych Indiach i Grecji. Słowo „atom” pochodzi od starożytnego greckiego słowa atomy , co oznacza niepodzielny. Według atomizmu materia składa się z odrębnych cząstek. Jednak teoria ta była jednym z wielu wyjaśnień materii i nie była oparta na danych empirycznych. W V wieku p.n.e. Demokryt zaproponował, że materia składa się z niezniszczalnych, niepodzielnych jednostek zwanych atomami. Pomysł ten zapisał rzymski poeta Lukrecjusz, dzięki czemu przetrwał on średniowiecze do późniejszego rozważenia.

Teoria atomowa Daltona

Vladimir Godnik / Getty Images

Dopiero pod koniec XVIII wieku nauka dostarczyła konkretnych dowodów na istnienie atomów. W 1789 Antoine Lavoisier sformułował prawo zachowania masy, które mówi, że masa produktów reakcji jest taka sama jak masa reagentów. Dziesięć lat później Joseph Louis Proust zaproponował prawo określonych proporcji, które mówi, że masy pierwiastków w związkach zawsze występują w tej samej proporcji.

Te teorie nie odnosiły się jeszcze do atomów John Dalton zbudowany na nich, aby opracować prawo wielu proporcji, które mówi, że stosunki mas pierwiastków w związkach są małymi liczbami całkowitymi. Prawo wielokrotnych proporcji Daltona zostało zaczerpnięte z danych eksperymentalnych. Zaproponował, aby każdy pierwiastek chemiczny składał się z jednego rodzaju atomu, którego nie można zniszczyć żadnymi środkami chemicznymi. Jego ustna prezentacja (1803) i publikacja (1805) zapoczątkowały naukową teorię atomową.

W 1811 roku Amedeo Avogadro rozwiązał problem z teorią Daltona, gdy zaproponował, że równe objętości gazów o tej samej temperaturze i ciśnieniu zawierają tę samą liczbę cząstek. Prawo Avogadro umożliwiło dokładne oszacowanie mas atomowych pierwiastków i wyraźnie rozróżniło atomy i molekuły.

Inny znaczący wkład w teorię atomową wniósł w 1827 roku botanik Robert Brown, który zauważył, że cząsteczki kurzu unoszące się w wodzie wydawały się poruszać losowo bez znanego powodu. W 1905 Albert Einstein postulował, że ruchy Browna są spowodowane ruchem cząsteczek wody. Model i jego walidacja w 1908 roku przez Jeana Perrina wspierała teorię atomową i teorię cząstek.

Model Puddingu śliwkowego i Model Rutherforda

JESPER KLAUSEN / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

Do tego momentu uważano, że atomy są najmniejszymi jednostkami materii. W 1897 r. J.J. Thomson odkrył elektron. Wierzył, że atomy można podzielić. Ponieważ elektron niósł ładunek ujemny, zaproponował model atomu budyniu śliwkowego, w którym elektrony były osadzone w masie o ładunku dodatnim, aby uzyskać elektrycznie obojętny atom.

Ernest Rutherford, jeden z uczniów Thomsona, obalił model kaszanki śliwkowej w 1909 roku. Rutherford odkrył, że dodatni ładunek atomu i większość jego masy znajduje się w centrum lub jądrze atomu. Opisał model planetarny, w którym elektrony krążą wokół małego, dodatnio naładowanego jądra.

Model atomu Bohra

Ismagilov / Getty Images

Rutherford był na dobrej drodze, ale jego model nie potrafił wyjaśnić widm emisyjnych i absorpcyjnych atomów ani dlaczego elektrony nie zderzają się z jądrem. W 1913 r. Niels Bohr zaproponował model Bohra, zgodnie z którym elektrony krążą wokół jądra tylko w określonych odległościach od jądra. Zgodnie z jego modelem elektrony nie mogą poruszać się spiralnie w jądrze, ale mogą wykonywać skoki kwantowe między poziomami energii.

Kwantowa teoria atomowa

vchal / Getty Images

Model Bohra wyjaśniał linie widmowe wodoru, ale nie rozciągał się na zachowanie atomów z wieloma elektronami. Kilka odkryć poszerzyło zrozumienie atomów. W 1913 Frederick Soddy opisał izotopy, które były formami atomu jednego pierwiastka, który zawierał różną liczbę neutronów. Neutrony odkryto w 1932 roku.

Louis de Broglie zaproponował falowe zachowanie poruszających się cząstek, które Erwin Schrödinger opisał za pomocą równania Schrödingera (1926). To z kolei doprowadziło do powstania zasady nieoznaczoności Wernera Heisenberga (1927), która stwierdza, że ​​nie jest możliwe jednoczesne poznanie położenia i pędu elektronu.

Mechanika kwantowa doprowadziła do teorii atomowej, w której atomy składają się z mniejszych cząstek. Elektron można potencjalnie znaleźć w dowolnym miejscu atomu, ale z największym prawdopodobieństwem można go znaleźć na orbicie atomowej lub na poziomie energetycznym. Zamiast kołowych orbit modelu Rutherforda, współczesna teoria atomowa opisuje orbitale, które mogą być sferyczne, w kształcie hantli itp. W przypadku atomów o dużej liczbie elektronów w grę wchodzą efekty relatywistyczne, ponieważ cząstki poruszają się z ułamkiem prędkość światła.

Współcześni naukowcy odkryli mniejsze cząstki, które składają się na protony, neutrony i elektrony, chociaż atom pozostaje najmniejszą jednostką materii, której nie można podzielić metodami chemicznymi.