Atomteori - det vil si troen på at all materie er sammensatt av bittesmå udelelige elementer - har veldig dype røtter. Imidlertid ble den ikke omfavnet vitenskapelig før på 1800-tallet, da en evidensbasert tilnærming begynte å avsløre hvordan atommodellen så ut.
Det var på dette tidspunktet John Dalton, en engelsk kjemiker, meteorolog og fysiker, begynte med en serie eksperimenter som ville kulminere i ham med forslag om teorien om atomkomposisjoner - som deretter ville bli kjent som Daltons atomiske teori - som skulle bli en av de hjørnesteiner i moderne fysikk og kjemi.
Utover å lage en modell for atominteraksjoner, blir John Dalton også kreditert med å utvikle lover for å forstå hvordan gasser fungerer. Med tiden ville dette føre til at han konkluderer med ting om hvordan atomer hadde interaksjon, atomenes vekt, og til å utforme lover som etablerer atomteori som vitenskapelig disiplin.
Daltons gasslover:
Dalton kom med sin teori om atomer som et resultat av sin forskning på gasser. Dette begynte i 1800, da Dalton ble sekretær i Manchester Literary and Philosophical Society. Mens han var der, begynte Dalton å sende inn en serie essays som skisserte eksperimentene hans med hensyn til sammensetning av blandede gasser, inkludert damptrykk og andre damper ved forskjellige temperaturer, ved fordampning. og på termisk utvidelse av gasser.
I sine essays beskrev Dalton eksperimenter der han forsøkte å konstatere damptrykket på forskjellige punkter mellom 0 og 100 ° C (32 og 212 ° F). Basert på sine observasjoner av seks forskjellige væsker, konkluderte Dalton at variasjonen av damptrykk for alle væsker var ekvivalent, for den samme variasjonen av temperatur og den samme dampen for et gitt trykk.
Han konkluderte også med at alle elastiske væsker under samme trykk ekspanderer likt når det tilføres varme. Videre observerte han at for enhver gitt utvidelse av kvikksølv (dvs. bemerket temperaturøkning ved bruk av et kvikksølvtermometer), at den tilsvarende ekspansjon av luft er proporsjonalt mindre, jo høyere temperaturen går.
Dette ble grunnlaget som Daltons lov (alias Daltons lov om delstrykk), som uttalte at i en blanding av ikke-reagerende gasser er det totale trykket som utøves lik summen av deltrykkene til de enkelte gassene.
Daltons atomteori:
I løpet av denne forskningen på gasser oppdaget Dalton også at visse gasser bare kunne kombineres i visse proporsjoner, selv om to forskjellige forbindelser delte det samme felleselementet eller gruppen av elementer.
Disse eksperimentene bygde på to teorier som hadde dukket opp nær slutten av 1700-tallet som omhandlet kjemiske reaksjoner. Den første var loven om bevaring av masse, formulert av Antoine Lavoisier i 1789, som sier at den totale massen i en kjemisk reaksjon forblir konstant - dvs. at reaktantene har samme masse som produktene.
Den andre var loven med bestemte proporsjoner, først bevist av den franske kjemikeren Joseph Louis Proust i 1799. Denne loven sier at hvis en forbindelse blir brutt ned i dens bestanddeler, så vil massene til bestanddelene alltid ha samme proporsjoner, uansett av mengden eller kilden til det opprinnelige stoffet.
Dalton studerte disse lovene og bygde på dem og utviklet sin lov med flere proporsjoner. Denne loven sier at hvis to elementer kan kombineres for å danne et antall mulige forbindelser, så vil forholdene til massene til det andre elementet, som kombineres med en fast masse av det første elementet, være forholdstall med små hele tall.
Med andre ord, elementer kombineres på atomnivå i faste forhold som naturlig skiller seg ut fra forbindelsene som blir kombinert, på grunn av deres unike atomvekter. Funnene ble grunnlaget for Daltons Atomic Laws or Model, som fokuserer på fem grunnleggende teoremer. T
Staten som elementer, i deres reneste tilstand, består av partikler kalt atomer; at atomer av et bestemt element er like, helt ned til det siste atomet; at atomer fra forskjellige elementer kan fortelles fra hverandre med atomvektene; at atomer av elementer forenes for å danne kjemiske forbindelser; og at atomer verken kan skapes eller ødelegges i kjemisk reaksjon, bare grupperingene endres noensinne.
Dalton mente også atomeori kunne forklare hvorfor vann absorberte forskjellige gasser i forskjellige proporsjoner - for eksempel fant han ut at vann absorberte karbondioksid langt bedre enn det absorberte nitrogen. Dalton antok at dette skyldtes forskjellene i masse og kompleksitet av gassenes respektive partikler.
Det var faktisk nettopp denne observasjonen som antas å være første gang Dalton antydet at den antatte eksistensen av atomer. I papiret som tok for seg gassabsorpsjon i vann, som først ble publisert i 1805, skrev han:
“Hvorfor innrømmer ikke vann størstedelen av all slags gass? Dette spørsmålet har jeg behørig vurdert, og selv om jeg ikke er i stand til å tilfredsstille meg selv fullstendig, blir jeg nesten overtalt at omstendigheten avhenger av vekten og antallet av de endelige partiklene i flere gasser.”
Dalton foreslo at hvert kjemisk element er sammensatt av atomer av en enkelt, unik type, og selv om de ikke kan endres eller ødelegges med kjemiske midler, kan de kombineres for å danne mer komplekse strukturer (dvs. kjemiske forbindelser). Dette markerte den første virkelig vitenskapelige teorien om atomet, siden Dalton nådde sine konklusjoner ved å eksperimentere og undersøke resultatene på en empirisk måte.
Dalton og atomvekter:
Dalton's begynte også å studere atomvekter basert på masseforholdene de kombinerte i, med hydrogenatom som ble tatt som standard. Imidlertid ble Dalton begrenset av råheten i laboratorieinstrumentene hans og det faktum at han ikke tenkte at atomene til visse elementer eksisterer i molekylær form, for eksempel rent oksygen (O2).
Han mente også at den enkleste forbindelsen mellom to elementer alltid er ett atom hver. Dette ble illustrert best ved hvordan han trodde at den kjemiske formelen for vann var HO, ikke H2O.
I 1803 presenterte Dalton muntlig sin første liste over relative atomvekter for en rekke stoffer. Denne artikkelen ble utgitt i 1805, men han diskuterte ikke nøyaktig hvordan han oppnådde disse tallene. I 1807 ble metoden hans avslørt av hans bekjent Thomas Thomson, i den tredje utgaven av Thomsons lærebok, Et system for kjemi. Til slutt publiserte Dalton en fullstendig konto i sin egen lærebok, Et nytt system for kjemisk filosofi, i 1808 og 1810.
Vitenskapelige feil:
Den viktigste feilen i Daltons teori - dvs. eksistensen av både molekyler og atomer - ble senere i prinsippet korrigert i 1811 av Amedeo Avogadro. Avogadro foreslo at like volum av to gasser, ved lik temperatur og trykk, inneholde like mange molekyler. Med andre ord, massen av en gasspartikler påvirker ikke volumet den opptar.
Avogadros lov tillot ham å utlede den diatomiske naturen til mange gasser ved å studere volumene de reagerte på. Dermed kunne Avogadro tilby mer nøyaktige estimater av atommassen til oksygen og forskjellige andre elementer, og gjorde et tydelig skille mellom molekyler og atomer. Akk, disse og andre funn motsier og foredlet Daltons teorier.
For eksempel har forskere siden oppdaget at atomet - en gang antatt å være den minste delen av materien - faktisk kan deles inn i enda mindre elementære partikler. Og mens Dalton ble oppfattet som atomer som en enkelt enhet uten skille mellom positive, negative og nøytrale ladninger, påfølgende eksperimenter av J.J. Thomson, Ernest Rutherford og Neils Bohr avslørte en mer kompleks struktur for atomet.
Disse teoriene ble senere validert av observasjoner gjort med elektronmikroskopet. Vi vet også at atomvekt er et produkt av strukturen til selve atommene. Daltons Atomic Model, i sin reneste form, anses nå bare som gyldig for kjemiske reaksjoner. Dette reduserer imidlertid ikke Daltons bidrag til moderne vitenskap.
Før sin tid var atomet lite mer enn en filosofisk konstruksjon som ble overført fra den klassiske antikken. Daltons banebrytende arbeid gjorde ikke bare teorien til virkelighet, men førte til mange andre funn, for eksempel Einsteins relativitetsteori og Plancks kvanteteori - to studieretninger som danner grunnlaget for vår moderne forståelse av kosmos.
Vi har skrevet mange interessante artikler om atomteori her på Space Magazine. Her er en om antallet atomer i universet, hva er delene av atomet ?, Hvem var demokrat ?, Bohrs atommodell, og hva er plommepuddingmodellen?
Hvis du vil lære mer om Daltons modell, kan du sjekke artikkelen fra Central Queensland University om Daltons Atomic-modell.
Astronomy Cast har spilt inn mange interessante episoder om emnet. Sjekk dem ut - Episode 138: Quantum Mechanics, Episode 378: Rutherford and Atoms, and Episode 392: The Standard Model - Intro.
