Atomiteorialla - eli uskomuksella, että kaikki aine koostuu pienistä, jakamattomista elementeistä - on erittäin syvät juuret. Sitä ei kuitenkaan omaksuttu tieteellisesti vasta 1800-luvulla, jolloin todisteisiin perustuva lähestymistapa alkoi paljastaa miltä atomimalli näytti.
Juuri tällä hetkellä englantilainen kemisti, meteorologi ja fyysikko John Dalton aloitti sarjan kokeita, jotka huipentuivat hänelle ehdottamalla atomiskoostumusten teoriaa - jota kutsutaan sen jälkeen Daltonin atomiteoriumiksi -, josta tulisi yksi. modernin fysiikan ja kemian kulmakiviä.
John Daltonille annetaan atomisen vuorovaikutuksen mallin luomisen lisäksi myös kehitettävä lakeja kaasujen toiminnan ymmärtämiseksi. Ajan myötä tämä johtaisi häntä tekemään päätöksiä atomien vuorovaikutuksesta, atomien painosta ja suunnittelemaan lakeja, jotka perustavat atomiteorian tieteelliseksi tieteenalaksi.
Daltonin kaasulait:
Dalton keksi atomiteoriansa kaasututkimuksensa tuloksena. Tämä alkoi vuonna 1800, kun Daltonista tuli Manchesterin kirjallisen ja filosofisen seuran sihteeri. Siellä Dalton aloitti sarjan esseitä, joissa hahmoteltiin hänen kokeitaan sekoitettujen kaasujen muodostumisesta, mukaan lukien höyryn ja muiden höyryjen paine eri lämpötiloissa, haihtumisen yhteydessä. ja kaasujen lämpölaajenemisesta.
Esseissään Dalton kuvasi kokeita, joissa hän yritti selvittää höyryn paineen eri kohdissa välillä 0 - 100 ° C (32 - 212 ° F). Perustuen havaintoihinsa kuudesta eri nesteestä, Dalton päätteli, että höyrynpaineen vaihtelu kaikilla nesteillä oli sama, samalla lämpötilan vaihtelulla ja samalla höyryllä tietyssä paineessa.
Hän päätteli myös, että kaikki saman paineen alla olevat elastiset nesteet laajenevat tasaisesti, kun lämpöä käytetään. Lisäksi hän havaitsi, että jokaiselle elohopean laajenemiselle (ts. Havaitulle lämpötilan nousulle elohopealämpömittarilla), että vastaava ilman paisuminen on suhteellisesti pienempi, sitä korkeammaksi lämpötila menee.
Tästä tuli perusta, kun Daltonin laki (alias. Daltonin osapaineen laki) totesi, että reagoimattomien kaasujen seoksessa kokonaispaine on yhtä suuri kuin yksittäisten kaasujen osapaineiden summa.
Daltonin atomiteoria:
Tämän kaasututkimuksen aikana Dalton havaitsi myös, että tietyt kaasut voitiin yhdistää vain tietyissä suhteissa, vaikka kahdella erilaisella yhdisteellä olisi sama yhteinen alkuaine tai ryhmä.
Nämä kokeet perustuivat kahteen teoriaan, jotka olivat syntyneet lähellä 1800-luvun loppua ja jotka käsittelivät kemiallisia reaktioita. Ensimmäinen oli Antoine Lavoisierin vuonna 1789 laatima massan säilyttämislaki, jonka mukaan kemiallisen reaktion kokonaismassa pysyy vakiona - ts. Että reagenssien massa on sama kuin tuotteiden.
Toinen oli tiettyjen mittasuhteiden laki, jonka ensimmäisen kerran todisti ranskalainen kemisti Joseph Louis Proust vuonna 1799. Laissa todetaan, että jos yhdiste hajoaa sen rakenneosiksi, niin ainesosien massoilla on aina samat mittasuhteet riippumatta alkuperäisen aineen määrästä tai lähteestä.
Opiskellessaan näitä lakeja ja rakentamalla niitä, Dalton kehitti lainsa mittasuhteina. Tässä laissa todetaan, että jos kahta elementtiä voidaan yhdistää useiden mahdollisten yhdisteiden muodostamiseksi, niin toisen elementin massojen suhteet, jotka yhdistyvät ensimmäisen elementin kiinteään massaan, ovat pienten kokonaislukujen suhteet.
Toisin sanoen elementit yhdistyvät atomitasolla kiinteinä suhteina, jotka luonnollisesti eroavat yhdistettävien yhdisteiden perusteella ainutlaatuisten atomipainojensa vuoksi. Havainnoista tuli Daltonin atomilakien tai mallin perusta, joka keskittyy viiteen peruslauseeseen. T
Tila, jonka elementit puhtaimmassa tilassaan koostuvat hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi; että tietyn alkuaineen atomit ovat kaikki samoja aina viimeiseen atomiin asti; että eri elementtien atomit voidaan erottaa toisistaan niiden atomipainojen avulla; että elementtien atomit yhdistyvät kemiallisten yhdisteiden muodostamiseksi; ja että atomeja ei voida luoda tai tuhota kemiallisessa reaktiossa, vain ryhmittely muuttuu koskaan.
Dalton uskoi myös atomiteorian selittävän miksi vesi absorboi erilaisia kaasuja eri suhteissa - esimerkiksi hän havaitsi, että vesi absorboi hiilidioksidia paljon paremmin kuin se absorboi typpeä. Dalton oletti tämän johtuvan kaasujen hiukkasten massa- ja monimutkaisuuseroista.
Itse asiassa juuri tämän havainnon uskotaan olevan ensimmäinen kerta, kun Dalton vihjasi atomien oletetusta olemassaolosta. Veden kaasun imeytymistä käsittelevässä lehdessä, joka julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1805, hän kirjoitti:
”Miksi vesi ei hyväksy suurimman osan kaikenlaisista kaasuista? Tätä kysymystä olen tarkastellut asianmukaisesti, ja vaikka en pysty tyydyttämään itseäni täysin, olen melkein vakuuttunut siitä, että olosuhteet riippuvat useiden kaasujen lopullisten hiukkasten painosta ja lukumäärästä.”
Dalton ehdotti, että jokainen kemiallinen elementti koostuisi yhden, ainutlaatuisen tyyppisistä atomeista, ja vaikka niitä ei voida muuttaa tai tuhota kemiallisilla keinoilla, ne voivat yhdistyä muodostaa monimutkaisempia rakenteita (ts. Kemialliset yhdisteet). Tämä merkitsi ensimmäistä todella tieteellistä atomiteoriaa, koska Dalton päätti johtopäätöksensä kokeilemalla ja tutkimalla tuloksia empiirisesti.
Dalton ja atomipainot:
Dalton alkoi myös tutkia atomipainoja perustuen niiden massasuhteisiin, joissa ne yhdistyivät, vetyatomiksi, joka otettiin vakiona. Daltonia rajoitti kuitenkin laboratorioinstrumenttiensa raakuus ja se, että hän ei ajatellut, että tiettyjen elementtien atomit, kuten puhdas happi, olisivat olemassa molekyylimuodossa (O2).
Hän uskoi myös, että yksinkertaisin yhdiste kahden elementin välillä on aina yksi atomi kukin. Tätä havainnollistettiin parhaiten siinä, kuinka hänen mielestään veden kemiallinen kaava oli HO, ei H2O.
Vuonna 1803 Dalton esitti suullisesti ensimmäisen luettelonsa suhteellisista atomipainoista useille aineille. Tämä paperi julkaistiin vuonna 1805, mutta hän ei keskustellut siellä tarkalleen kuinka hän sai nämä luvut. Vuonna 1807 menetelmän paljasti hänen tuttavansa Thomas Thomson Thomsonin oppikirjan kolmannessa painoksessa, Kemian järjestelmä. Lopuksi Dalton julkaisi täydellisen tilin omassa oppikirjassaan, Uusi kemiallisen filosofian järjestelmä, vuosina 1808 ja 1810.
Tieteelliset puutteet:
Daltonin teorian suurin virhe - ts. Molekyylien ja atomien olemassaolo - korjattiin myöhemmin periaatteessa vuonna 1811 Amedeo Avogadro. Avogadro ehdotti, että minkä tahansa kahden kaasun yhtä suuret määrät, samassa lämpötilassa ja paineessa, sisältävät saman määrän molekyylejä. Toisin sanoen kaasun hiukkasten massa ei vaikuta sen käyttämään tilavuuteen.
Avogarron laki antoi hänelle mahdollisuuden päätellä lukuisten kaasujen piimaan luonne tutkimalla tilavuuksia, joilla ne reagoivat. Siksi Avogadro pystyi tarjoamaan tarkempia arvioita hapen atomimassasta ja monista muista elementeistä, ja teki selvän eron molekyylien ja atomien välillä. Valitettavasti nämä ja muut löytöt ovat sekä ristiriidassa että hienostuneiden Daltonin teorioiden kanssa.
Esimerkiksi tutkijat ovat sittemmin huomanneet, että atomi - jonka kerran ajateltiin olevan aineen pienin osa - voidaan tosiasiallisesti jakaa vielä pienemmiksi alkuainehiukkasiksi. Ja kun taas Dalton käsitti atomit yhtenä kokonaisuutena ilman eroa positiivisten, negatiivisten ja neutraalien varausten välillä, myöhemmät kokeet J.J. Thomson, Ernest Rutherford ja Neils Bohr paljasti atomin monimutkaisemman rakenteen.
Nämä teoriat validoitiin myöhemmin elektronimikroskoopilla tehdyillä havainnoilla. Tiedämme myös, että atomipaino on tuote itse atomien rakenteesta. Siksi Daltonin atomimallia, puhtaimmassa muodossaan, pidetään nyt voimassa vain kemiallisiin reaktioihin. Tämä ei kuitenkaan vähennä Daltonin panosta nykyaikaiseen tieteeseen.
Ennen aikansa atom oli hiukan enemmän kuin klassisesta antiikista siirtynyt filosofinen rakenne. Daltonin uraauurtava työ ei vain tehnyt teoriasta todellisuutta, vaan johti moniin muihin löytöihin, kuten Einsteinin suhteellisuusteoria ja Planckin kvanttiteoria - kaksi tutkimusaluetta, jotka muodostavat perustan nykyiselle ymmärryksellemme kosmosta.
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita atomiteoriasta täällä Space Magazine. Tässä on yksi atomien lukumäärästä maailmankaikkeudessa, mitkä ovat atomin osat? Kuka oli demokraattinen ?, Bohrin atomimalli ja mikä on luumujen pudotusmalli?
Jos haluat lisätietoja Daltonin mallista, tutustu Keski Queensland Universityn artikkeliin Daltonin Atomic-mallista.
Astronomy Cast on nauhoittanut monia mielenkiintoisia jaksoja aiheesta. Katso ne - Jakso 138: Quantum Mechanics, Jakso 378: Rutherford ja atomit ja jakso 392: The Standard Model - Intro.
