Jag älskar den här historien. Det är en berättelse om hur tankar förändrades om atomens natur. Det här är de anteckningar (och diagram) jag använder när jag undervisar materiens atomära natur till icke-vetenskapliga majors. Det bästa med den här historien är att det är ett bra exempel på vetenskap. Vetenskap (eller forskare) bygger en modell. Om nya bevis kommer med, modellen ändras. Det finns flera andra webbplatser som beskriver allt detta, Jag kommer att lista ett par i slutet av detta inlägg.

typisk lärobok modell av en atom

titta i en intro, icke-vetenskap majors lärobok och du kommer förmodligen att se en bild som Denna av atomen. Den här modellen har några bra ideer i sig, men totalt sett har den några problem. Nyckeln (och inte felaktiga punkter) i denna modell är:

• atomen är gjord av protoner, neutroner och elektroner
• det mesta av utrymmet tas upp av det område där elektronerna finns
• protonerna och neutronerna finns i kärnan i atomen – kallad kärnan

grekisk modell av atomen

det måste alltid gå tillbaka till grekerna, eller hur? De gjorde en massa saker. Jag vet att de verkligen var forskare men det är fortfarande ett bra ställe att börja. Här är en bild av bust of Democritus.

i verkligheten hade han förmodligen färg. Democritus krediteras för att komma upp med atomen. Frågan var, vad skulle hända om du fortsätter att ta något (som ett träd) och bryta i mindre och mindre bitar? Skulle det alltid vara en bit av ett träd? Kan du fortsätta att bryta den i mindre och mindre bitar? Democritus sa att om du fortsätter att bryta ner det skulle du komma till en storlek som inte längre kunde brytas. Detta skulle vara det odelbara stycket. På grekiska, atomos = odelbar. Således atomen. (Jag vet att det finns mer till grekerna, men jag behöver en plats att börja)

Daltons Modell

Jag kommer inte att gå in i experimentella bevis för Daltons modell av atomen är det dock bra saker. Låt mig bara ange vad Dalton sa:

• saker kan delas in i element (de saker som anges i det periodiska systemet).
• element är atomer med olika massor.
• föreningar är en kombination av element. Du vet, som vatten, salt eller pizza.

i grund och botten utvidgade Dalton bara den grekiska tanken på atomen. En atom är en liten sak, och det finns olika massor med olika egenskaper.

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

Thomson spelade med katodstrålar. Dessa är bara strålar av elektroner (men katodstråle låter svalare). Genom att strålen interagerar med elektriska och magnetiska fält kunde Thomson bestämma mass-laddningsförhållandet för en elektron. Så från det visste han att elektronen kom från atomen, den hade en negativ laddning och en liten massa. Här är den modell som han föreslog.

Thomson tog tanken på atomen och försökte införliva bevisen för elektronen. I denna modell är elektronerna de små sakerna och resten av sakerna är en positiv sak. Detta kallas vanligtvis plumb pudding-modellen eftersom elektronerna är som saker i positiv pudding.

Rutherford Scattering

Ernest Rutherford sa en dag ”Hej, jag tror att jag kommer att skjuta några saker på atomer.”Jag är säker på att hans fru sa” Åh, Ernie ”(hon kallade förmodligen honom Ernie) ” om det gör dig glad att leka med dina små fysiksaker, fortsätt. Jag vet hur mycket du gillar det.”Så det gjorde han. Han sköt några alfapartiklar (som egentligen bara är kärnan i en heliumatom) på någon riktigt tunn guldfolie. Här är ett diagram över hans experiment.

Om du skjut dessa positiva alfapartiklar vid denna positiva puddingatom, de borde mest studsa av, eller hur? Det var inte vad som hände. Rutherford fann att de flesta av dem gick rakt igenom folien. Några av dem studsade tillbaka. Hur kan det vara om plumb pudding-modellen var korrekt? Rutherfords experiment ledde till en förändring av atommodellen. Om de positiva alfapartiklarna mestadels passerade genom folien, men några studsade tillbaka. Och om de redan visste att elektronen var liten och negativ, måste atomen ha en liten positiv kärna med elektronerna runt dem.

Bohr Modell

modellen som föreslås av Niels Bohr är den som du kommer att se i många inledande vetenskapliga texter. Det finns många bra ideer i den här modellen, men det är inte den som överensstämmer med alla nuvarande bevis. Modellen försöker skapa en koppling mellan ljus och atomer.

anta att du tar lite ljus och du låter olika färger böja olika mängder (tänk regnbåge). På så sätt kan du se vilka färger som finns för olika ljuskällor. Här är tre olika ljuskällor.

kanske ljuset från glödlampan är vad du kan förvänta dig. Det här är regnbågens färger. Antag dock att du tog lite vätgas och upphetsade den. Det skulle bara finnas vissa färger (endast vissa våglängder) av ljus som produceras. Om du lyser ljus genom lite vätgas kommer det att finnas mörka band av ljus i samma färger.

Så sa Bohr att dessa ljusfärger i vätgasen motsvarar olika energinivåer som elektronen i väte kan ha. Och detta är nyckeln till Bohr – modellen-elektroner kan bara vara på vissa energinivåer i atomen. Det här är galet (åtminstone var det galet för sin tid). Tänk på en planet som kretsar kring solen. Det kan vara på vilken energinivå som helst. I detta fall finns det en gravitationskraft som lockar planeten som producerar orbital rörelse. Detta kommer att fungera var som helst i solsystemet.

tidig fysiker tänkte på elektronen i en atom mycket som en planet som kretsar kring solen. Den viktigaste skillnaden är att elektronen (i Bohr-modellen) kretsar på grund av en elektrisk interaktion och inte en gravitationsinteraktion. Tja, den andra skillnaden i Bohr-modellen är att elektronen inte kan kretsa (om den kretsar, vilket den inte gör) på något avstånd och någon energi. Här är kärnan i Bohr-modellen.

Bohr-modellen beror på en anslutning mellan ljusfrekvensen och energin i nivåförändringen. Om ljus med en frekvens som motsvarar energiförändringen interagerar med atomen kan elektronen absorbera ljuset och hoppa upp en nivå. Om en upphetsad elektron hoppar ner en nivå förlorar den energi. Energin som elektronen förlorar blir ljus med en frekvens som motsvarar en energiförändring.

Bohr-modellen kan vara ganska förvirrande för introduktionsstudenter, men den viktiga punkten är att denna modell överensstämmer med följande bevis.

• elektroner är små och negativt laddade
• protoner är i kärnan med är liten jämfört med atomens storlek
• för ett visst element absorberas eller emitteras endast vissa frekvenser (färger) av ljus.

Schrodinger och Heisenberg Model

det finns en nyckelpunkt om Bohr-modellen som inte längre accepteras i nuvarande modeller av atomen. I Bohr-modellen tros elektronerna fortfarande kretsa kring kärnan precis som planeter kretsar kring solen. Egentligen är detta något som vi inte kan säga är sant. Problemet med atomer och elektroner är att vi människor utom dem att lyda samma regler som saker som baseballs och planeter. Egentligen är reglerna desamma, men basbollar och planeter följer kvantmekanikens regler utan att vi människor ens märker det.

det visar sig att vi inte riktigt kan säga något om elektronernas bana eller position i en atom. Det vi kan säga handlar om sannolikheter. Vi kan säga vilka regioner en elektron sannolikt kommer att vara. Här är ett diagram som kan hjälpa. Dessa är sannolikhetsfördelningar för de olika energinivåerna i en atom (från wikipedia)

sammanfattning

forskare bygger modeller. När nya bevis samlas in ändras modellerna.

länkar

• atomens historia – det här är en gammal sida som har några brutna bilder, men det är fortfarande bra saker
• University of Colorado ’ s Physics 2000 – igen, gammal, men bra (om inte lite dumt)
• Physlet Bohr modell
• handledning om atomer
• Wikipedia – Democritus
• Wikipedia – J. J. Thomson
• Wikipedia – Ernest Rutherford
• Wikipedia – Niels Bohr

update:

jag glömde helt att jag gjorde en videoföreläsning för samma saker. Om du gillar att lyssna och titta istället för att läsa, kolla in det här.

Materia och atomer från Rhett Allain on Vimeo.

det finns också en bra bok om atomens historia. Fysikens historia av Isaac Asimov. Jag rekommenderar starkt den boken, även om den inte längre finns i tryck. Jag hittade mitt exemplar i en begagnad bokhandel.