Otkako su ga prvi put predložili Demokrit u 5. stoljeću prije Krista, atomski model je prošao kroz nekoliko poboljšanja tijekom posljednjih nekoliko tisuća godina. Od svojih skromnih početaka kao inertne, nedjeljive čvrste tvari koja mehanički djeluje s drugim atomima, stalna istraživanja i poboljšane metode doveli su znanstvenike do zaključka da su atomi zapravo sastavljeni od još manjih čestica koje međusobno djeluju elektromagnetski.
To je bila osnova atomske teorije koju je osmislio engleski fizičar J.J. Thompsona krajem 19. i početkom 20. stoljeća. Kao dio revolucije koja se u to vrijeme odvijala, Thompson je predložio model atoma koji se sastojao od više od jedne temeljne jedinice. Na temelju svog izgleda, koji se sastojao od 'more jednolikog pozitivnog naboja' s elektronima raspoređenim po cijelom, Thompsonov model je dobio nadimak 'Model pudinga od šljiva'.
Iako ne postoji prema modernim standardima, model pudinga od šljiva predstavlja važan korak u razvoju atomske teorije. Ne samo da je uključio nova otkrića, kao što je postojanje elektrona, već je uveo i pojam atoma kao neinertne, djeljive mase. Od sada će znanstvenici shvatiti da su sami atomi sastavljeni od manjih jedinica materije i da su svi atomi međusobno djelovali kroz mnogo različitih sila.
Atomska teorija do 19. stoljeća:
Najraniji poznati primjeri atomske teorije potječu iz antičke Grčke i Indije, gdje su filozofi poput Demokrita postulirali da je sva materija sastavljena od sićušnih, nedjeljivih i neuništivih jedinica. Izraz 'atom' skovan je u staroj Grčkoj i potaknuo je školu mišljenja poznatu kao 'atomizam'. Međutim, ova teorija je bila više filozofski nego znanstveni koncept.
Različiti atomi i molekule kao što je prikazano u knjizi Novi sustav kemijske filozofije Johna Daltona (1808.). Zasluga: javno vlasništvo
Tek u 19. stoljeću teorija atoma postala je artikulirana kao znanstvena stvar, kada su provedeni prvi eksperimenti utemeljeni na dokazima. Na primjer, početkom 1800-ih, engleski znanstvenik John Dalton koristio je koncept atoma da objasni zašto kemijski elementi reagiraju na određene vidljive i predvidljive načine.
Dalton je započeo s pitanjem zašto elementi reagiraju u omjerima malih cijelih brojeva i zaključio da se te reakcije odvijaju u višestrukim cijelim brojevima diskretnih jedinica – tj. atoma. Kroz niz eksperimenata koji su uključivali plinove, Dalton je nastavio razvijati ono što je poznato kao Daltonova atomska teorija . Ova teorija proširila se na zakone razgovora mase i određenih razmjera – formulirane do kraja 18. stoljeća – i ostaje jedan od kamena temeljaca moderne fizike i kemije.
Teorija se svodi na pet premisa: elementi, u svom najčišćem stanju, sastoje se od čestica koje se nazivaju atomi; atomi određenog elementa su svi isti, do posljednjeg atoma; atomi različitih elemenata mogu se razlikovati po njihovoj atomskoj težini; atomi elemenata udružuju se u kemijske spojeve; atomi se ne mogu niti stvoriti niti uništiti u kemijskoj reakciji, samo se grupiranje uvijek mijenja.
Do kraja 19. stoljeća znanstvenici su također počeli teoretizirati da se atom sastoji od više od jedne temeljne jedinice. Međutim, većina znanstvenika odvažila se da će ova jedinica biti veličine najmanjeg poznatog atoma - vodika. Do kraja 19. stoljeća situacija će se drastično promijeniti.
Bočni pogled na neku vrstu Crookesove cijevi sa stojećim križem. Zasluge: Wikimedia Commons/D-Kuru
Thompsonovi eksperimenti:
Sir Joseph John Thomson (aka J.J. Thompson) bio je engleski fizičar i profesor fizike u Cavendishu na Sveučilištu Cambridge od 1884. nadalje. Tijekom 1880-ih i 1890-ih, njegov se rad uglavnom vrtio oko razvoja matematičkih modela za kemijske procese, transformacije energije u matematičkom i teorijskom smislu te elektromagnetizma.
Međutim, do kasnih 1890-ih počeo je provoditi eksperimente koristeći katodnu cijev poznatu kao Crookesova cijev . Sastoji se od zatvorene staklene posude s dvije elektrode koje su odvojene vakuumom. Kada se napon dovede na elektrode, nastaju katodne zrake (koje imaju oblik užarenog plina koji se proteže do udaljenog kraja cijevi).
Kroz eksperimentiranje, Thomson je uočio da se te zrake mogu odbiti električnim i magnetskim poljima. Zaključio je da se umjesto da se sastoje od svjetlosti, sastoje od negativno nabijenih čestica koje je nazvao 'tjelešćima'. Nakon mjerenja omjera mase i naboja ovih čestica, otkrio je da su one 1ooo puta manje i 1800 puta lakše od vodika.
To je učinkovito opovrglo ideju da je atom vodika najmanja jedinica materije, a Thompson je otišao dalje sugerirajući da su atomi djeljivi. Kako bi objasnio ukupni naboj atoma, koji se sastojao od pozitivnih i negativnih naboja, Thompson je predložio model prema kojemu su negativno nabijene čestice raspoređene u jednolično more pozitivnog naboja.
Prikaz atomske strukture atoma helija. Zasluge: Creative Commons
Te će tjelešce kasnije biti nazvane 'elektroni', na temelju teorijske čestice koju je predvidio anglo-irski fizičar George Johnstone Stoney 1874. I iz toga je rođen model pudinga od šljiva, nazvan tako jer je vrlo podsjećao na englesku pustinju koja se sastoji od kolač od šljiva i grožđice. Koncept je predstavljen svijetu u britanskom izdanju iz ožujka 1904 Filozofski časopis ,na široko priznanje.
Problemi s modelom pudinga od šljiva:
Nažalost, kasniji eksperimenti otkrili su brojne znanstvene probleme s modelom. Za početak, postojao je problem demonstriranja da atom posjeduje ujednačen pozitivan pozadinski naboj, koji je postao poznat kao “Thomsonov problem”. Pet godina kasnije, model će opovrgnuti Hans Geiger i Ernest Marsden, koji su proveli niz eksperimenata koristeći alfa čestice i zlatnu foliju.
U onome što bi postalo poznato kao “ eksperiment sa zlatnom folijom “, izmjerili su uzorak raspršenja alfa čestica fluorescentnim zaslonom. Da je Thomsonov model točan, alfa čestice bi nesmetano prolazile kroz atomsku strukturu folije. Međutim, umjesto toga primijetili su da, dok je većina pucala ravno kroz njih, neki od njih bili su razbacani u raznim smjerovima, a neki su se vratili u smjeru izvora.
Geiger i Marsden zaključili su da su čestice naišle na elektrostatičku silu daleko veću od one koju dopušta Thomsonov model. Budući da su alfa čestice samo jezgre helija (koje su pozitivno nabijene), to implicira da pozitivni naboj u atomu nije bio široko raspršen, već koncentriran u malom volumenu. Osim toga, činjenica da su one čestice koje nisu bile sklonjene nesmetano prolazile značila je da su ti pozitivni prostori bili razdvojeni golemim ponorima praznog prostora.
Očekivani rezultati Gieger-Marsdenovog eksperimenta (lijevo) i stvarni rezultati (desno). Zasluge: Wikimedia Commons/Kurzon
.
Do 1911. fizičar Ernest Rutherford interpretirao je Geiger-Marsdenove eksperimente i odbacio Thomsonov model atoma. Umjesto toga, predložio je model u kojem se atom sastoji uglavnom od praznog prostora, sa svim svojim pozitivnim nabojem koncentriranim u središtu u vrlo malom volumenu, koji je bio okružen oblakom elektrona. Ovo je postalo poznato kao Rutherfordov model atoma.
Naknadni eksperimenti Antoniusa Van den Broeka i Neilsa Bohra dodatno su poboljšali model. Dok je Van den Broek sugerirao da je atomski broj elementa vrlo sličan njegovom nuklearnom naboju, potonji je predložio model atoma sličan solarnom sustavu, gdje jezgra sadrži atomski broj pozitivnog naboja i okružena je jednakim nabojem. broj elektrona u orbitalnim ljuskama (tzv Bohrov model ).
Iako će biti diskreditiran za samo pet godina, Thomsonov 'model pudinga od šljiva' pokazao bi se ključnim korakom u razvoju Standardni model fizike čestica. Njegov rad na utvrđivanju da su atomi djeljivi, kao i postojanje elektromagnetskih sila unutar atoma, također će se pokazati velikim utjecajem na polje kvantne fizike.
Napisali smo mnogo zanimljivih članaka na temu atomske teorije ovdje u Universe Today. Na primjer, evo Koliko atoma postoji u svemiru? , Atomski model Johna Daltona , Koji su dijelovi atoma? , Bohrov atomski model ,
Za više informacija svakako provjerite stranice Physic’s Worlds na 100 godina elektrona: od otkrića do primjene i Mase protona i neutrona izračunate prema prvim principima
Astronomy Cast također ima nekoliko epizoda na tu temu: Epizoda 138: Kvantna mehanika , Epizoda 139: Razine i spektri energije, Epizoda 378: Rutherford i atomi i Epizoda 392: Standardni model – Uvod .
