Jeg elsker denne historie. Det er en historie om, hvordan ideer ændrede sig om atomets natur. Dette er de noter (og diagrammer), jeg bruger, når jeg lærer materiens atomiske natur til ikke-videnskabelige majors. Det bedste ved denne historie er, at det er et godt eksempel på videnskab. Videnskab (eller forskere) bygger en model. Hvis der kommer nye beviser, bliver modellen ændret. Der er flere andre hjemmesider, der beskriver alle disse ting, jeg vil liste et par i slutningen af dette indlæg.

typisk lærebogsmodel af et atom

se i en intro, ikke-videnskabelige majors lærebog, og du vil sandsynligvis se et billede som dette af atomet. Denne model har nogle gode ideer i den, men generelt har den nogle problemer. Nøglen (og ikke forkerte punkter) af denne model er:

• atomet er lavet af protoner, neutroner og elektroner
• det meste af rummet optages af det område, hvor elektronerne findes
• protonerne og neutronerne er i kernen i atomet – kaldet kernen

græsk model af atomet

det skal altid gå tilbage til grækerne, ikke? Godt, de gjorde en masse ting. Jeg ved, at de virkelig var forskere, men det er stadig et godt sted at starte. Her er et billede af bust of Democritus.

i det virkelige liv havde han sandsynligvis farve. Democritus er krediteret med at komme op med atomet. Spørgsmålet var, hvad ville der ske, hvis du fortsætter med at tage noget (som et træ) og bryde i mindre og mindre stykker? Ville det altid være et stykke af et træ? Kan du fortsætte med at bryde det i mindre og mindre stykker? Democritus sagde, at hvis du fortsætter med at nedbryde det, ville du komme til en størrelse, der ikke længere kunne brydes. Dette ville være det udelelige stykke. På græsk, atomos = udelelig. Således atomet. (Jeg ved, at der er mere til grækerne, men jeg har brug for et sted at starte)

Daltons Model

Jeg vil ikke gå ind i det eksperimentelle bevis for Daltons model af atomet er det dog gode ting. Lad mig bare sige, hvad Dalton sagde:

• ting kan opdeles i elementer (de ting, der er anført på det periodiske system).
• elementer er atomer med forskellige masser.
• forbindelser er en kombination af elementer. Du ved, som vand, salt eller fisk.

dybest set udvidede Dalton bare den græske ide om atomet. Et atom er en lille ting, og der er forskellige masser med forskellige egenskaber.

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

Thomson spillede med katodestråler. Disse er bare stråler af elektroner (men katodestråle lyder køligere). Ved at få strålen til at interagere med elektriske og magnetiske felter var Thomson i stand til at bestemme forholdet mellem masse og ladning for en elektron. Så fra det vidste han, at elektronen kom fra atomet, den havde en negativ ladning og en lille masse. Her er den model, han foreslog.

Thomson tog ideen om atomet og forsøgte at inkorporere beviset for elektronen. I denne model er elektronerne de små ting, og resten af tingene er noget positivt. Dette kaldes almindeligvis plumb pudding-modellen, fordi elektronerne er som ting i positiv budding.

Rutherford spredning

Ernest Rutherford sagde en dag “Hej, jeg tror, jeg vil skyde nogle ting på atomer.”Jeg er sikker på, at hans kone sagde” Åh, Ernie “(hun kaldte ham sandsynligvis Ernie) ” hvis det gør dig glad for at lege med dine små fysik ting, gå videre. Jeg ved, hvor meget du kan lide det.”Så han gjorde. Han skød nogle alfapartikler (som egentlig kun er kernen i et heliumatom) på nogle virkelig tynde guldfolie. Her er et diagram over hans eksperiment.

Hvis du Skyd disse positive alfapartikler på dette positive buddingatom, de skal for det meste hoppe af, ikke? Nå, det er ikke, hvad der skete. Rutherford fandt ud af, at de fleste af dem gik lige gennem folien. Nogle af dem sprang tilbage. Hvordan kunne det være, hvis plumb pudding-modellen var korrekt? Rutherfords eksperiment medførte en ændring i atommodellen. Hvis de positive alfapartikler for det meste passerede gennem folien, men nogle sprang tilbage. Og hvis de allerede vidste, at elektronen var lille og negativ, så skal atomet have en lille positiv kerne med elektronerne omkring dem.

Bohr Model

modellen foreslået af Niels Bohr er den, du vil se i mange indledende videnskabstekster. Der er mange gode ideer i denne model, men det er ikke den, der er enig i alle de nuværende beviser. Modellen forsøger at skabe forbindelse mellem lys og atomer.

Antag at du tager noget lys, og du lader forskellige farver bøje forskellige mængder (tænk regnbue). På denne måde kan du se, hvilke farver der er til stede for forskellige lyskilder. Her er tre forskellige lyskilder.

måske er lyset fra pæren, hvad du ville forvente. Dette er regnbuens farver. Antag dog, at du tog noget brintgas og begejstrede det. Der ville kun være visse farver (kun visse bølgelængder) af lys produceret. Hvis du skinner lys gennem noget brintgas, vil der være mørke lysbånd i de samme farver.

så Bohr sagde, at disse farver af lys i brintgassen svarer til forskellige energiniveauer, som elektronen i brint kan have. Og dette er nøglen til Bohr – modellen-elektroner kan kun være på bestemte energiniveauer i atomet. Dette er vanvittigt (i det mindste var det vanvittigt for sin tid). Tænk på en planet, der kredser om Solen. Det kan være på ethvert energiniveau. I dette tilfælde er der en tyngdekraft, der tiltrækker planeten, der producerer orbitalbevægelse. Dette vil fungere overalt i solsystemet.

tidlig fysiker tænkte på elektronen i et atom meget som en planet, der kredser om Solen. Hovedforskellen er, at elektronen (i Bohr-modellen) kredser på grund af en elektrisk interaktion og ikke en gravitationsinteraktion. Nå, den anden forskel i Bohr-modellen er, at elektronen ikke kan bane (hvis den kredser, hvilket den ikke gør) på nogen afstand og enhver energi. Her er essensen af Bohr-modellen.

Bohr-modellen afhænger af en forbindelse mellem lysets frekvens og energien i niveauændringen. Hvis lys af en frekvens svarende til energiændringen interagerer med atomet, kan elektronen absorbere lyset og hoppe op et niveau. Hvis en ophidset elektron springer ned et niveau, mister den energi. Den energi, elektronen mister, bliver lys med en frekvens svarende til en ændringen i energi.

Bohr-modellen kan være ret forvirrende for indledende studerende, men det vigtige punkt er, at denne model er enig i følgende beviser.

• elektroner er små og negativt ladede
• protoner er i kernen med er lille sammenlignet med atomets størrelse
• for et bestemt element absorberes eller udsendes kun bestemte frekvenser (farver) af lys.

Schrodinger og Heisenberg Model

Der er et nøglepunkt om Bohr-modellen, der ikke længere accepteres i de nuværende modeller af atomet. I Bohr-modellen menes elektronerne stadig at kredse om kernen, ligesom planeter kredser om solen. Faktisk er det noget, vi ikke kan sige, er sandt. Problemet med atomer og elektroner er, at vi mennesker undtagen dem til at adlyde de samme regler som ting som baseballs og planeter. Faktisk er reglerne de samme, men baseballs og planeter følger reglerne for kvantemekanik uden at vi mennesker selv bemærker det.

det viser sig, at vi ikke rigtig kan sige noget om banen eller placeringen af elektroner i et atom. Hvad vi kan sige handler om sandsynligheder. Vi kan sige, hvilke regioner en elektron sandsynligvis vil være. Her er et diagram, der kan hjælpe. Disse er sandsynlighedsfordelinger for de forskellige energiniveauer i et atom

resume

forskere bygger modeller. Når nye beviser indsamles, ændres modellerne.

Links

• atomets historie – Dette er en gammel side, der har nogle ødelagte billeder, men det er stadig gode ting
• University of Colorado ‘ s Physics 2000 – igen, gammel, men god (hvis ikke lidt fjollet)
• Physlet Bohr model
• Tutorial om atomer
• Thomson
• Ernest Rutherford
• Niels Bohr

update:

jeg glemte helt, at jeg lavede en videoforelæsning for de samme ting. Hvis du kan lide at lytte og se i stedet for at læse, tjek dette ud.

stof og atomer fra Rhett Allain på Vimeo.

der er også en stor bog om atomets historie. Fysikhistorie af Isaac Asimov. Jeg kan varmt anbefale den bog, selvom den ikke længere er på tryk. Jeg fandt min kopi i en brugt boghandel.