Atomelmélet

Az atom jelenlegi modellje. Középen egy sűrű atommag, elektronfelhővel körbevéve

A kémiában és a fizikában az atomelmélet azt tárgyalja, hogy az idők során hogy változtak az atom megértésével kapcsolatos teóriák. Egy időben úgy gondolták, az atom az anyag legkisebb építőköve. Egy filozófiai elgondolásból indult az ókori Görögországban, mely a kora 19. században teljesedett ki a tudományok körében, amikor is a kémia területén végzett kutatások bebizonyították, hogy az anyag valóban úgy viselkedik, mintha atomok építenék fel.

Az atom elnevezés az ógörög atomosz szóból származik, jelentése "oszthatatlan". A 19. századi kémikusok kezdték el használni a kifejezést az egyre növekvő számú, tovább nem bontható kémiai elemekkel kapcsolatban. Habár a 20. század kezdetén az elektromágnesességet és radioaktivitást kutatók rájöttek, hogy az úgynevezett "oszthatatlan atom" valójában különböző szubatomi részecskék (legfőképpen protonok, elektronok és neutronok) halmaza, melyek egymástól elkülönítve is létezhetnek. Igazából bizonyos extrém körülmények között, mint például neutroncsillagokban, ahol a rendkívüli hőmérséklet és nyomás alatt egyáltalán nem létezhetnek atomok. A tudósok később ezeket nevezték el elemi részecskéknek, és azt nyilvánították oszthatatlannak, és bár nem elpusztíthatatlanok, részei az atomnak. A szubatomi részecskékkel foglalkozó tudományág a részecskefizika, ahol a tudósok a természet legalapvetőbb alkotóit kutatják.

Történet

Filozófiai atomizmus

Az ötlet, hogy az anyag nagyon kis egységekből épül fel, már több ókori kultúrában is felvetődött, így Görögországban és Indiában. Ezek viszont sokkal inkább filozófiai és teológiai érveléseken alapultak, mintsem bizonyítékokon és kísérleteken. Éppen emiatt nem győzött meg mindenkit, így az atomizmus csak egy volt a számos természeti-anyagi összefüggést bizonyítani próbáló elmélet közül. Egészen a 19. századig feledésbe merült a teória, akkor viszont a tudományos, kémiai felfedezéseknek köszönhetően beigazolódni látszott.

Dalton

A 18. század vége felé két, atomi elméletre nem utaló elmélet született. Az első volt a tömegmegmaradás törvénye, melyet Antoine Lavoisier dolgozott ki 1789-ben. Ez azt állította, hogy az össztömeg egy kémiai reakcióban állandó marad (tehát a reagensek tömege megegyezik a termékekével).
A másik volt az állandó tömegarányok törvénye, melyet először Joseph Louis Proust francia kémikus bizonyított 1799-ben. A törvény alapján ha egy vegyületet elemeire bontunk, alkotórészei tömegének aránya ugyanannyi marad, függetlenül a kiindulási anyag mennyiségétől.

John Dalton az utóbbi munkákat tanulmányozva és bővítve alkotta meg a többszörös tömegarányok törvényét: Ha két elem egymással többféle vegyületet is alkothat, akkor ha az egyik elem meghatározott tömegű másik elemmel vegyül, a tömegek aránya egész számok hányadosa lesz. Proust például az ón-oxidokat vizsgálva azt vette észre, hogy az egyik ón-oxid összetétele 88,1% ón és 11,9% oxigén, a másiké viszont 78,7% ón és 21,3% oxigén (nevezetesen az ón(II)- és ón(IV)-oxid volt ez a két anyag). Dalton ezekből a százalékokból azt a következtetést vonta le, hogy 100 gramm ón 13,5 vagy 27 gramm oxigénnel tud egyesülni; a 13,5 és a 27 aránya pedig pont 1:2. Úgy találta, hogy az atomelmélettel tökéletesen magyarázható a kémia rendje. Proust kísérletei esetén 1 ónatom 1 vagy 2 oxigénatommal is alkothat vegyületet.

Dalton az atomelmélettel magyarázta azt a jelenséget is, hogy a víz különböző gázokat eltérő mértékben tud megkötni – a szén-dioxid például sokkal jobban oldódik vízben, mint a nitrogén. Dalton hipotézise szerint ez a gázok eltérő tömegének és az azt felépítő részecskék összetettségének tulajdonítható. És valóban, a CO₂ molekulák jóval nagyobb méretűek és tömegűek a N₂ molekuláknál.

Dalton elmélete volt az is, hogy minden elem sajátos összetételű atomokból épül fel, és bár ezek kémiai úton nem változtathatók és nem pusztíthatók el, egymással kombinálhatók és ezzel bonyolultabb struktúrák hozhatók létre (vegyületek). Ez volt az első tudományos magyarázat az atomok létezésére, mivel Dalton minden következtetésére kísérletezéssel és vizsgálatokkal jutott.

Különféle atomok és molekulák, ahogy John Dalton 1808-as könyvében ábrázolta

1803-ban Dalton szóban mutatta be első listáját számos anyag relatív atomtömegéről. Az iratot 1805-ben publikálta, de nem vezette le pontosan számításainak menetét. Azokat 1807-ben egy ismerőse, Thomas Thomson tárta fel A kémia szisztémája című könyvének harmadik kiadásában. Végül Dalton is leírta azokat teljes mértékben A kémiai filozófia egy új szisztémája c. könyvében 1808-ban és 1810-ben.

Az atomtömegeket Dalton az alkotott vegyületekben a tömegarányokhoz igazodva határozta meg, a hidrogénatomot véve egységnyinek. Azzal viszont nem számolt, hogy bizonyos elemek csak molekulákban léteznek – pl. a tiszta oxigén kétatomos O₂ molekulákként fordul elő. Emellett tévesen azt gondolta, hogy egy adott vegyületben egyféle atom csak egyszer szerepelhet (a vizet HO-nak gondolta, nem H₂O-nak). Felszerelésének kezdetlegessége mellett ez is ronthatott eredményeinek pontosságán. 1803-ban az oxigént 5,5-ször nehezebbnek mérte a hidrogénnél, mert a vízben 5,5 gramm oxigén jut 1 gramm hidrogénre a HO képlet alapján. 1806-ban jobb adatot mért, azt állította, hogy valójában 7-nek kell lennie, mintsem 5,5-nek, és ezt a tömeget vélte valósnak élete végéig. Mások akkoriban úgy mérték, hogy ha a hidrogén tömege 1, az oxigénének 8-nak kell lenni; bár akkor még mindenki a Dalton-féle HO képletet használta, nem is feltételezték a H₂O lehetőségét.

Avogadro

Dalton elvének hibáit Amedeo Avogadro javította ki 1811-ben. Avogadro azt állította, hogy bármely két gázban, melyek térfogata, nyomása és hőmérséklete is megegyezik, azonos számú molekula található meg (más szavakkal, a gáz részecskéi nem befolyásolják a térfogatot, melyet a gáz elfoglal). Ezzel a törvénnyel már rá tudott bukkanni számos kétatomos gáz szerkezetére azzal, hogy megmérte a térfogatot, amelyen reakcióba vitte őket. Például ha két liter hidrogén egy liter oxigénnel reagál, és ekkor 2 liter vízgőz keletkezik, akkor arra következtethetünk, hogy az oxigénmolekulák kettéváltak, és így lett belőlük két vízmolekula. Ennélfogva Avogadro az oxigén, és több másik elem atomtömegét is jóval pontosabban meg tudta becsülni, és az atomok és molekulák közti különbséget is tisztábban fel tudta vázolni.

Brown-mozgás

1827-ben a brit botanikus Robert Brown megfigyelte, hogy a pollenszemcsék a vízben össze-vissza ugrálnak bármi látszólagos ok nélkül. 1905-ben Albert Einstein gondolata az volt, hogy ezt a Brown-mozgást a pollenszemcsék és a vízmolekulák szüntelen ütközése okozza, és ezt egy hipotetikus matematikai modellel mintázta. Ezt a modellt egy 1908-as kísérletében igazolta Jean Perrin francia fizikus, ezzel további bizonyítékot szolgáltatva a részecske- és az atomelméletre.

A szubatomi részecskék felfedezése

Crookes-cső

A katódsugarakat (kék) kibocsátja a katód, a rések sugárnyalábbá alakítják, majd meghajlik, ahogy két elektromosított lemezen átmegy.

Egészen 1897-ig az atomokat gondolták a legkisebb létező részecskéknek, amikor is J.J. Thomson katódsugarakkal felfedezte az elektront.

A Crookes-cső egy zárt üvegedény, melyben a két elektród vákuummal van elválasztva egymástól. Katódsugarak keletkeznek, ha feszültség megy végig az elektródokon, ezek pedig világító foltot hagynak, ahogy hozzáütköznek az üveghez cső másik végén. Kísérleti úton Thomson rájött, hogy ezeket a sugarakat egy elektromos mező eltérítheti (a mágneses mezőn kívül, mely akkor már ismert volt). Azt állította, hogy ezek a sugarak nagyon könnyű, negatív töltésű részecskékből állnak, melyeknek a "testecske" nevet adta (ezt később más tudósok átnevezték elektronnak). Megállapította azt is, hogy mintegy 1800-szor kisebb a hidrogénnél, a legkisebb atomnál. Ezek a testecskék minden addig ismert részecskénél apróbbak voltak.

Thomson úgy vélte, hogy az atomok igenis felbonthatók, és a testecskék annak építőkövei. Az atomok semleges töltését azzal magyarázta, hogy ezek a testecskék egy pozitív töltésű "masszában" vannak; ez volt az ún. mazsolás puding modell, mivel az elektronok úgy voltak beágyazódva a pozitív töltésbe, ahogy a mazsolák a mazsolás pudingba (habár Thomson modelljében nem voltak helyhez kötve).

Az atommag felfedezése

A Geiger-Marsden kísérlet
Bal oldalt: Várt eredmény: Az alfa-részecskék átmennek a mazsolás puding modellen elhanyagolható hajlásszöggel.
Jobb oldalt: Megfigyelt eredmények: a részecskék egy része irányt változtat a koncentrált pozitív töltések hatására.

Thomson mazsolás puding elméletét egy korábbi diákja, Ernest Rutherford cáfolta meg 1909-ben, aki megállapította, hogy a tömeg nagy része és a pozitív töltés az atom kellős közepén koncentrálódik, egy parányi kis pontban.

A Geiger-Marsden kísérletben Hans Geiger és Ernest Marsden (Rutherford rendelkezése alatt álló munkatársai) alfa-részecskéket lőttek keresztül egy vékony fémlapon, majd fluoreszkáló képernyő használatával megvizsgálták azok elhajlását. Az elektronok kis tömegéből, az alfa-részecskék nagy lendületéből és a mazsolás puding modellben kis koncentrációt képviselő pozitív töltésből arra következtettek, hogy a részecskék mindegyike áthatol a fémlapon csekély elhajlással. Meglepődésükre az alfa-részecskék egy része igen jelentős elhajlást mutatott. Rutherford arra következtetett, hogy az atom összes pozitív töltésének egy parányi térfogatrészben kell összpontosulnia, hogy olyan elektromos teret hozhasson létre, mely ilyen erősen elhajlítja az alfa-sugarakat.

Ennek hatására indítványozta Rutherford a bolygószerű atommodelljét, melyben az elektronok a pozitív töltést hordozó pici atommag körül keringenek.