rakastan tätä tarinaa. Se on kertomus siitä, miten ajatukset atomin luonteesta muuttuivat. Näitä muistiinpanoja (ja diagrammeja) käytän opettaessani aineen atomiluonnetta ei-luonnontieteellisille pääaineille. Parasta tässä tarinassa on se, että se on hieno esimerkki tieteestä. Tiede (tai tiedemiehet) rakentavat mallin. Jos uusia todisteita tulee, malli muuttuu. On olemassa useita muita sivustoja, jotka kuvaavat kaikki tämä kama, luettelen pari lopussa tämän viestin.

tyypillinen atomin oppikirjamalli

Katso introa, ei-luonnontieteellisiä pääainekirjoja ja näet todennäköisesti tällaisen kuvan atomista. Tämä malli on joitakin hyviä ideoita siinä, mutta kaiken kaikkiaan se on joitakin ongelmia. Tämän mallin Keskeiset (eivätkä virheelliset kohdat) ovat:

• atomi koostuu protoneista, neutroneista ja elektroneista
• suurimman osan tilasta vie se alue, jossa elektronit ovat
• protonit ja neutronit ovat atomin ytimessä – jota kutsutaan ytimeksi

kreikkalainen atomin malli

sen on aina palattava kreikkalaisiin, eikö niin? He tekivät kaikenlaista. Tiedän, että he olivat oikeasti tiedemiehiä, mutta se on silti hyvä paikka aloittaa. Tässä on kuva Demokritoksen rintakuvasta.

tosielämässä hänellä oli todennäköisesti väriä. Demokritoksen ansioksi luetaan atomin keksiminen. Kysymys kuului, mitä tapahtuisi, jos jatkuvasti ottaisi jotain (kuten puun) ja hajoaisi yhä pienempiin osiin? Olisiko se aina pala puuta? Voisitko pilkkoa sen yhä pienempiin osiin? Demokritos sanoi, että jos jatkat sen hajottamista, tulet kokoon, jota ei voi enää rikkoa. Tämä olisi jakamaton pala. Kreikaksi atomos = jakamaton. Siis atomi. (Tiedän, että kreikkalaisissa on muutakin, mutta tarvitsen paikan aloittaa)

Daltonin malli

atomi on hyvää kamaa. Haluan vain todeta, mitä Dalton sanoi:

• tavaraa voidaan hajottaa alkuaineiksi (jaksollisessa järjestelmässä luetelluiksi asioiksi).
• alkuaineet ovat atomeja, joilla on eri massat.
• yhdisteet ovat alkuaineiden yhdistelmiä. Kuten vettä, suolaa tai pizzaa.

periaatteessa Dalton vain laajensi kreikkalaista ajatusta atomista. Atomi on pieni asia, ja on olemassa erilaisia massoja, joilla on erilaiset ominaisuudet.

J. Jonah Jameson Thomson – (alias J. J.)

Thomson soitti katodisäteillä. Nämä ovat vain elektronisäteitä (mutta katodisäde kuulostaa viileämmältä). Kun säde oli vuorovaikutuksessa sähkö-ja magneettikenttien kanssa, Thomson pystyi määrittämään elektronin massan ja varauksen suhteen. Siitä hän siis tiesi, että elektroni tuli atomista, sillä oli negatiivinen varaus ja pieni massa. Tässä on hänen ehdottamansa malli.

Thomson otti idean atomista ja yritti sisällyttää siihen todisteet elektronin puolesta. Tässä mallissa elektronit ovat pieniä asioita ja loput ovat jotain positiivista ainetta. Tätä kutsutaan yleisesti plumb pudding-malliksi, koska elektronit ovat kuin positiivisessa vanukkaassa.

Rutherfordin sironta

Ernest Rutherford sanoi Eräänä päivänä ”hey, I think I will shoot some stuff at atoms.”Olen varma, että hänen vaimonsa sanoi” oh, Ernie ”(hän luultavasti kutsui häntä Ernie) ” jos se tekee sinut onnelliseksi pelata pikku fysiikan juttuja, anna mennä. Tiedän, että pidät siitä.”Niin hän teki. Hän ampui joitakin alfahiukkasia (jotka ovat oikeastaan vain heliumatomin ydin) johonkin todella ohueen kultafolioon. Tässä on kaavio hänen kokeestaan.

ampumalla näitä positiivisia alfahiukkasia tähän positiiviseen vanukas-atomiin, niiden pitäisi enimmäkseen kimpota pois, eikö? Ei siinä niin käynyt. Rutherford huomasi, että suurin osa meni suoraan folion läpi. Osa niistä toipui. Miten se voisi olla mahdollista, jos plumb vanukas malli oli oikea? Rutherfordin koe sai aikaan muutoksen atomimallissa. Jos positiiviset alfahiukkaset kulkivat enimmäkseen folion läpi, mutta osa kimposi takaisin. Ja jos he jo tiesivät, että elektroni on pieni ja negatiivinen, silloin atomilla täytyy olla pieni positiivinen ydin elektronien ympäröimänä.

Bohrin malli

Niels Bohrin ehdottama malli on se, jonka näkee monissa alustavissa tiedeteksteissä. Tässä mallissa on paljon hyviä ideoita, mutta se ei ole se, joka yhtyy kaikkiin nykyisiin todisteisiin. Malli pyrkii luomaan yhteyden valon ja atomien välille.

Oletetaan, että otat jonkin verran valoa ja annat eri värien taivuttaa eri määriä (ajattele sateenkaarta). Näin näet, mitä värejä eri valonlähteissä on. Tässä on kolme eri valonlähdettä.

ehkä hehkulampun valo on sitä, mitä odottaa. Nämä ovat sateenkaaren värit. Olettakaamme kuitenkin, että otat vetykaasua ja kiihotat sitä. Olisi vain tiettyjä värejä (vain tiettyjä aallonpituuksia) valon tuotettu. Jos valaisee jonkin vetykaasun läpi, samoissa väreissä on tummia valonauhoja.

Niinpä Bohrin mukaan nämä vetykaasun valon värit vastaavat erilaisia energiatasoja, joita elektronilla vedyssä voi olla. Ja tämä on avain Bohrin malliin-elektroneja voi olla atomissa vain tietyillä energiatasoilla. Tämä on hullua (ainakin se oli hullu aikansa). Ajattele aurinkoa kiertävää planeettaa. Se voi olla millä tahansa energiatasolla. Tällöin planeettaan vetää puoleensa painovoima, joka saa aikaan kiertoliikkeen. Tämä toimii kaikkialla aurinkokunnassa.

varhainen fyysikko ajatteli atomin elektronista paljon kuin aurinkoa kiertävää planeettaa. Keskeinen ero on se, että elektroni (Bohrin mallissa) orbitoituu sähköisen vuorovaikutuksen eikä gravitaatiovuorovaikutuksen vuoksi. No, toinen ero Bohrin mallissa on se, että elektroni ei voi kiertää (jos se kiertää, mitä se ei) millään etäisyydellä ja millään energialla. Tässä on Bohrin mallin ydin.

Bohrin malli riippuu valon taajuuden ja tasomuutoksen energian välisestä yhteydestä. Jos energiamuutosta vastaavan taajuinen valo vuorovaikuttaa atomin kanssa, elektroni voi absorboida valon ja hypätä tason ylöspäin. Jos jännittynyt elektroni hyppää tasoa alas, se menettää energiaa. Elektronin menettämä energia muuttuu valoksi, jonka taajuus vastaa energian muutosta.

Bohrin malli voi olla varsin sekava johdanto-opiskelijoille, mutta tärkeää on, että tämä malli yhtyy seuraaviin todisteisiin.

• elektronit ovat pieniä ja negatiivisesti varautuneita
• protonit ovat ytimessä, jossa on pieni verrattuna atomin kokoon
• tietylle alkuaineelle vain tietyt valon taajuudet (värit) absorboituvat tai emittoituvat.

Schrödingerin ja Heisenbergin mallissa

Bohrin mallissa on avainkohta, jota ei enää hyväksytä nykyisissä atomin malleissa. Bohrin mallissa elektronien ajatellaan edelleen kiertävän ydintä aivan kuten planeettojen kiertävän aurinkoa. Itse asiassa, tämä on jotain, että emme voi sanoa on totta. Ongelma atomien ja elektronien on, että me ihmiset paitsi ne noudattaa samoja sääntöjä kuin asiat, kuten baseballs ja planeetat. Itse asiassa säännöt ovat samat, mutta peruspallot ja planeetat noudattavat kvanttimekaniikan sääntöjä ilman, että me ihmiset edes huomaamme.

käy ilmi, että elektronien liikeradasta tai sijainnista atomissa ei voi oikeastaan sanoa mitään. Kyse on todennäköisyyksistä. Voimme sanoa, mitä alueita elektroni todennäköisesti on. Tässä on kaavio, joka voi auttaa. Nämä ovat todennäköisyysjakaumia atomin eri energiatasoille (Wikipediasta)

Yhteenveto

tutkijat rakentavat malleja. Kun uutta todistusaineistoa kerätään, mallit muuttuvat.

linkit

• atomin historia – tämä on joku vanha sivu, jossa on joitakin rikkinäisiä kuvia, mutta se on silti hyvää tavaraa
• Coloradon yliopiston fysiikka 2000 – taas vanhaa, mutta hyvää (ellei vähän hölmöä)
• Physlet Bohrin malli
• opetusohjelma atomeista
• Wikipedia – Demokritos
• Wikipedia – J. J. Thomson
• Wikipedia – Ernest Rutherford
• Wikipedia – Niels Bohr

päivitys:

unohdin täysin, että tein Videoluennon tästä samasta jutusta. Jos haluat kuunnella ja katsella lukemisen sijaan, tsekkaa tämä.

Matter and Atoms from Rhett Allain on Vimeo.

myös atomin historiasta on olemassa suuri kirja. Fysiikan historia, Isaac Asimov. Suosittelen lämpimästi tuota kirjaa, vaikka sitä ei enää paineta. Löysin kirjani Käytettyjen kirjojen kaupasta.