Ich liebe diese Geschichte. Es ist eine Geschichte darüber, wie sich Ideen über die Natur des Atoms verändert haben. Dies sind die Notizen (und Diagramme), die ich verwende, wenn ich nichtwissenschaftlichen Majors die atomare Natur der Materie beibringe. Das Beste an dieser Geschichte ist, dass sie ein großartiges Beispiel für Wissenschaft ist. Wissenschaft (oder Wissenschaftler) bauen ein Modell. Wenn neue Beweise kommen, wird das Modell geändert. Es gibt mehrere andere Websites, die all diese Dinge beschreiben, Ich werde ein paar am Ende dieses Beitrags auflisten.

Typisches Lehrbuchmodell eines Atoms

Schauen Sie in ein Intro, Nicht-Wissenschaft Majors Lehrbuch und Sie werden wahrscheinlich ein Bild wie dieses des Atoms sehen. Dieses Modell hat einige gute Ideen, aber insgesamt hat es einige Probleme. Die wichtigsten (und nicht falschen) Punkte dieses Modells sind:

• Das Atom besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen
• Der größte Teil des Raums wird von dem Bereich eingenommen, in dem die Elektronen existieren
• Die Protonen und Neutronen befinden sich im Kern des Atoms – dem sogenannten Kern

Griechisches Modell des Atoms

Es muss doch immer auf die Griechen zurückgehen, oder? Nun, sie haben eine Menge Zeug gemacht. Ich weiß, dass sie wirklich Wissenschaftler waren, aber es ist immer noch ein guter Anfang. Hier ist ein Bild der Büste des Demokrit.

Im wirklichen Leben hatte er wahrscheinlich Farbe. Democritus wird die Erfindung des Atoms zugeschrieben. Die Frage war, was würde passieren, wenn man immer wieder etwas (wie einen Baum) nimmt und in immer kleinere Stücke zerbricht? Wäre es immer ein Stück eines Baumes? Könntest du es in immer kleinere Stücke brechen? Demokrit sagte, wenn Sie es weiter zerlegen, würden Sie eine Größe erreichen, die nicht mehr gebrochen werden kann. Dies wäre das unteilbare Stück. Atomos = unteilbar. Also das Atom. (Ich weiß, dass die Griechen mehr zu bieten haben, aber ich brauche einen Ort, an dem ich anfangen kann)

Daltons Modell

Ich werde nicht auf die experimentellen Beweise für Daltons Modell des Atoms eingehen, es ist aber gute Sachen. Lassen Sie mich nur sagen, was Dalton gesagt hat:

• Zeug kann in Elemente zerlegt werden (die Dinge, die im Periodensystem aufgeführt sind).
• Elemente sind Atome mit unterschiedlichen Massen.
• Verbindungen sind Kombinationen von Elementen. Wissen Sie, wie Wasser, Salz oder Pizza.

Im Grunde hat Dalton gerade die griechische Idee des Atoms erweitert. Ein Atom ist ein kleines Ding, und es gibt verschiedene Massen mit unterschiedlichen Eigenschaften.

J. Jonah Jameson Thomson – (AKA J.J.)

Thomson spielte mit Kathodenstrahlen. Dies sind nur Elektronenstrahlen (aber Kathodenstrahl klingt kühler). Durch die Wechselwirkung des Strahls mit elektrischen und magnetischen Feldern konnte Thomson das Verhältnis von Masse zu Ladung für ein Elektron bestimmen. Daraus wusste er, dass das Elektron vom Atom kam, es hatte eine negative Ladung und eine kleine Masse. Hier ist das Modell, das er vorgeschlagen hat.

Thomson nahm die Idee des Atoms auf und versuchte, die Beweise für das Elektron einzubeziehen. In diesem Modell sind die Elektronen die kleinen Dinge und der Rest des Materials ist eine positive Materie. Dies wird allgemein als Plumb-Pudding-Modell bezeichnet, da die Elektronen wie Dinge in positivem Pudding sind.

Rutherford Scattering

Ernest Rutherford sagte eines Tages: „Hey, ich denke, ich werde ein paar Sachen auf dich schießen.“ Ich bin sicher, seine Frau sagte“Oh, Ernie“ (sie nannte ihn wahrscheinlich Ernie) „Wenn es dich glücklich macht, mit deinen kleinen Physiksachen zu spielen, mach weiter. Ich weiß, wie sehr es dir gefällt.“ Also tat er es. Er schoss einige Alphateilchen (die wirklich nur der Kern eines Heliumatoms sind) auf eine wirklich dünne Goldfolie. Hier ist ein Diagramm seines Experiments.

Wenn Sie diese positiven Alphateilchen auf dieses positive Alpha-Atom schießen , sie sollten meistens abprallen, richtig? Nun, das ist nicht das, was passiert ist. Rutherford fand heraus, dass die meisten von ihnen direkt durch die Folie gingen. Einige von ihnen haben sich erholt. Wie könnte das sein, wenn das Plumb-Pudding-Modell korrekt wäre? Rutherfords Experiment führte zu einer Änderung des Atommodells. Wenn die positiven Alphateilchen meist durch die Folie gingen, prallten einige zurück. UND wenn sie bereits wussten, dass das Elektron klein und negativ war, dann muss das Atom einen kleinen positiven Kern mit den Elektronen um sie herum haben.

Bohr-Modell

Das von Niels Bohr vorgeschlagene Modell ist dasjenige, das Sie in vielen einführenden wissenschaftlichen Texten sehen werden. Es gibt viele gute Ideen in diesem Modell, aber es stimmt nicht mit allen aktuellen Erkenntnissen überein. Das Modell versucht eine Verbindung zwischen Licht und Atomen herzustellen.Angenommen, Sie nehmen etwas Licht und lassen verschiedene Farben unterschiedlich stark biegen (denken Sie an Regenbogen). Auf diese Weise können Sie sehen, welche Farben für verschiedene Lichtquellen vorhanden sind. Hier sind drei verschiedene Lichtquellen.

Vielleicht ist das Licht von der Glühbirne das, was Sie erwarten würden. Dies sind die Farben des Regenbogens. Angenommen, Sie haben etwas Wasserstoffgas genommen und es angeregt. Es würden nur bestimmte Farben (nur bestimmte Wellenlängen) des Lichts erzeugt. Wenn Sie Licht durch etwas Wasserstoffgas scheinen lassen, gibt es dunkle Lichtbänder in denselben Farben.

Bohr sagte also, dass diese Lichtfarben im Wasserstoffgas unterschiedlichen Energieniveaus entsprechen, die das Elektron in Wasserstoff haben kann. Und das ist der Schlüssel zum Bohr-Modell – Elektronen können NUR auf bestimmten Energieniveaus im Atom sein. Das ist verrückt (zumindest war es verrückt für seine Zeit). Denken Sie an einen Planeten, der die Sonne umkreist. Es kann auf jedem Energieniveau sein. In diesem Fall zieht eine Gravitationskraft den Planeten an, die eine Orbitalbewegung erzeugt. Dies wird überall im Sonnensystem funktionieren.

Frühe Physiker dachten an das Elektron in einem Atom wie an einen Planeten, der die Sonne umkreist. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das Elektron (im Bohr-Modell) aufgrund einer elektrischen Wechselwirkung und nicht einer Gravitationswechselwirkung umkreist. Nun, der andere Unterschied im Bohr-Modell besteht darin, dass das Elektron in keiner Entfernung und Energie umkreisen kann (wenn es umkreist, was es nicht tut). Hier ist die Essenz des Bohr-Modells.

Das Bohr-Modell hängt von einer Verbindung zwischen der Frequenz des Lichts und der Energie der Pegeländerung ab. Wenn Licht mit einer Frequenz, die der Energieänderung entspricht, mit dem Atom interagiert, kann das Elektron das Licht absorbieren und ein Niveau aufspringen. Wenn ein angeregtes Elektron ein Niveau herunterspringt, verliert es Energie. Die Energie, die das Elektron verliert, wird zu Licht mit einer Frequenz, die der Energieänderung entspricht.

Das Bohr-Modell kann für einführende Studenten ziemlich verwirrend sein, aber der wichtige Punkt ist, dass dieses Modell mit den folgenden Beweisen übereinstimmt.

• Elektronen sind klein und negativ geladen
• Protonen sind im Kern mit ist klein im Vergleich zur Größe des Atoms
• Für ein bestimmtes Element werden nur bestimmte Frequenzen (Farben) des Lichts absorbiert oder emittiert.

Schrödinger- und Heisenberg-Modell

Es gibt einen Schlüsselpunkt des Bohr-Modells, der in aktuellen Atommodellen nicht mehr akzeptiert wird. Im Bohr-Modell wird immer noch angenommen, dass die Elektronen den Kern umkreisen, genau wie Planeten die Sonne umkreisen. Eigentlich ist das etwas, was wir nicht sagen können, ist wahr. Das Problem mit Atomen und Elektronen ist, dass wir Menschen sie zwingen, die gleichen Regeln wie Dinge wie Baseballs und Planeten zu gehorchen. Eigentlich sind die Regeln die gleichen, aber Baseballs und Planeten folgen den Regeln der Quantenmechanik, ohne dass wir Menschen es merken.

Es stellt sich heraus, dass wir nichts über die Flugbahn oder Position von Elektronen in einem Atom sagen können. Was wir sagen können, ist alles über Wahrscheinlichkeiten. Wir können sagen, welche Regionen ein Elektron wahrscheinlich ist. Hier ist ein Diagramm, das helfen könnte. Dies sind Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die verschiedenen Energieniveaus in einem Atom (aus wikipedia)

Zusammenfassung

Wissenschaftler bauen Modelle. Wenn neue Beweise gesammelt werden, ändern sich die Modelle.

Links

• Geschichte des Atoms – dies ist eine alte Seite, die einige kaputte Bilder hat, aber es ist immer noch gutes Zeug
• University of Colorado’s Physics 2000 – wieder alt, aber gut (wenn nicht ein bisschen albern)
• Physlet Bohr Modell
• Tutorial über Atome
• Wikipedia – Demokrit
• Wikipedia – J.J. Thomson
• Wikipedia – Ernest Rutherford
• Wikipedia – Niels Bohr

Update:

Ich habe total vergessen, dass ich einen Videovortrag für das gleiche Zeug gemacht habe. Wenn Sie gerne hören und sehen, anstatt zu lesen, check this out.

Materie und Atome von Rhett Allain auf Vimeo.

Außerdem gibt es ein großartiges Buch über die Geschichte des Atoms. Geschichte der Physik von Isaac Asimov. Ich kann das Buch nur empfehlen, auch wenn es nicht mehr gedruckt wird. Ich habe mein Exemplar in einem gebrauchten Buchladen gefunden.