In der Chemie und Physik ist Atomtheorie eine Theorie der Natur der Sache, die feststellt, dass Sache aus getrennten Einheiten genannt Atome im Vergleich mit dem veralteten Begriff zusammengesetzt wird, dass Sache in jede willkürlich kleine Menge geteilt werden konnte. Es hat als ein philosophisches Konzept im alten Griechenland (Democritus) und Indien begonnen und ist in die wissenschaftliche Hauptströmung am Anfang des 19. Jahrhunderts eingegangen, als Entdeckungen im Feld der Chemie gezeigt haben, dass sich Sache wirklich tatsächlich benommen hat, als ob es aus Partikeln zusammengesetzt wurde.

Das Wort "Atom" (vom alten griechischen adjektivischen atomos, 'unteilbar') wurde auf die grundlegende Partikel angewandt, die ein chemisches Element eingesetzt hat, weil die Chemiker des Zeitalters geglaubt haben, dass das die grundsätzlichen Partikeln der Sache waren. Jedoch, um die Umdrehung des 20. Jahrhunderts, durch verschiedene Experimente mit dem Elektromagnetismus und der Radioaktivität, haben Physiker entdeckt, dass das so genannte "unteilbare Atom" wirklich ein Konglomerat von verschiedenen subatomaren Partikeln war (hauptsächlich, Elektronen, Protone und Neutronen), der getrennt von einander bestehen kann. Tatsächlich, in bestimmten äußersten Umgebungen wie Neutronensterne, äußerster Temperatur und Druck verhindert Atome am vorhandenen überhaupt. Seitdem, wie man fand, Atome wirklich teilbar waren, haben Physiker später den Begriff "elementare Partikeln" erfunden, um unteilbare Partikeln zu beschreiben. Das Feld der Wissenschaft, die subatomare Partikeln studiert, ist Partikel-Physik, und es ist in diesem Feld, dass Physiker hoffen, die wahre grundsätzliche Natur der Sache zu entdecken.

Moderne Atomtheorie

Frühste empirische Beweise

In der Nähe vom Ende des 18. Jahrhunderts sind zwei Gesetze über chemische Reaktionen erschienen, ohne sich auf den Begriff einer Atomtheorie zu beziehen. Das erste war das Gesetz der Bewahrung der Masse, die von Antoine Lavoisier 1789 formuliert ist, der feststellt, dass die Gesamtmasse in einer chemischen Reaktion unveränderlich bleibt (d. h. die Reaktionspartner haben dieselbe Masse wie die Produkte). Das zweite war das Gesetz von bestimmten Verhältnissen. Zuerst bewiesen vom französischen Chemiker Joseph Louis Proust 1799 stellt dieses Gesetz dass fest, wenn eine Zusammensetzung unten in seine konstituierenden Elemente zerbrochen wird, dann werden die Massen der Bestandteile immer dieselben Verhältnisse, unabhängig von der Menge oder Quelle der ursprünglichen Substanz haben.

John Dalton hat studiert und hat sich nach dieser vorherigen Arbeit ausgebreitet und hat das Gesetz von vielfachen Verhältnissen entwickelt: Wenn zwei Elemente gekommen sind, zusammen bilden mehr als eine Zusammensetzung, dann werden die Verhältnisse der Massen des zweiten Elements, die sich mit einer festen Masse des ersten Elements verbinden, Verhältnisse von kleinen ganzen Zahlen sein. Zum Beispiel hatte Proust Zinnoxyde studiert und gefunden, dass ihre Massen entweder 88.1-%-Dose und 11.9-%-Sauerstoff oder 78.7-%-Dose und 21.3-%-Sauerstoff waren (das war Dose (II) Oxyd und Zinndioxyd beziehungsweise). Dalton hat von diesen Prozentsätzen bemerkt, dass sich 100g Dose entweder mit 13.5g oder 27g Sauerstoffes verbinden wird; 13.5 und 27 bilden ein Verhältnis 1:2. Dalton hat gefunden, dass eine Atomtheorie der Sache dieses allgemeine Muster in der Chemie - im Fall von den Zinnoxyden von Proust elegant erklären konnte, wird sich ein Zinnatom mit entweder einem oder zwei Sauerstoff-Atomen verbinden.

Dalton hat auch geglaubt, dass Atomtheorie erklären konnte, warum Wasser verschiedenes Benzin in verschiedenen Verhältnissen absorbiert hat: Zum Beispiel hat er gefunden, dass Wasser Kohlendioxyd viel besser als absorbiert hat, hat es Stickstoff absorbiert. Dalton hat Hypothese aufgestellt, dass das wegen der Unterschiede in der Masse und Kompliziertheit der jeweiligen Partikeln von Benzin war. Tatsächlich sind Kohlendioxyd-Moleküle (CO) schwerer und größer als Stickstoff-Moleküle (N).

Dalton hat vorgeschlagen, dass jedes chemische Element aus Atomen eines einzelnen, einzigartigen Typs zusammengesetzt wird, und obwohl sie nicht verändert oder durch chemische Mittel zerstört werden können, können sie sich verbinden, um kompliziertere Strukturen (chemische Zusammensetzungen) zu bilden. Das hat die erste aufrichtig wissenschaftliche Theorie des Atoms gekennzeichnet, seitdem Dalton zu seinen Schlüssen durch das Experimentieren und die Überprüfung der Ergebnisse auf eine empirische Mode gelangen ist.

1803 hat Dalton mündlich seine erste Liste von Verhältnisatomgewichten für mehrere Substanzen präsentiert. Dieses Papier wurde 1805 veröffentlicht, aber er hat dort genau nicht besprochen, wie er diese Zahlen erhalten hat. Die Methode wurde zuerst 1807 durch seine Bekanntschaft Thomas Thomson, in der dritten Ausgabe des Lehrbuches von Thomson, Einem System der Chemie offenbart. Schließlich hat Dalton eine volle Rechnung in seinem eigenen Lehrbuch, Einem Neuen System der Chemischen Philosophie, 1808 und 1810 veröffentlicht.

Dalton hat die Atomgewichte gemäß den Massenverhältnissen geschätzt, in denen sie sich mit dem als Einheit genommenen Wasserstoffatom verbunden haben. Jedoch hat Dalton nicht begriffen, dass mit einigen Element-Atomen in Molekülen — z.B bestehen, besteht reiner Sauerstoff als O. Er hat auch irrtümlicherweise geglaubt, dass die einfachste Zusammensetzung zwischen irgendwelchen zwei Elementen immer ein Atom von jedem ist (so hat er gedacht, dass Wasser HO, nicht HO war). Das, zusätzlich zur Grobheit seiner Ausrüstung, hat seine Ergebnisse rissig gemacht. Zum Beispiel 1803 hat er geglaubt, dass Sauerstoff-Atome 5.5mal schwerer waren als Wasserstoffatome, weil in Wasser er 5.5 Gramme Sauerstoff für jedes 1 Gramm Wasserstoff gemessen hat und geglaubt hat, dass die Formel für Wasser HO war. Bessere Daten 1806 annehmend, hat er beschlossen, dass das Atomgewicht von Sauerstoff wirklich 7 aber nicht 5.5 sein muss, und er dieses Gewicht für den Rest seines Lebens behalten hat. Andere in dieser Zeit hatten bereits beschlossen, dass das Sauerstoff-Atom 8 hinsichtlich Wasserstoffs wiegen muss, ist 1 gleich, wenn man die Formel von Dalton für das Wassermolekül (HO), oder 16 annimmt, wenn man die moderne Wasserformel annimmt.

Der Fehler in der Theorie von Dalton wurde im Prinzip 1811 von Amedeo Avogadro korrigiert. Avogadro hatte vorgeschlagen, dass gleiche Volumina jedes zwei Benzins, bei der gleichen Temperatur und dem Druck, gleiche Anzahlen von Molekülen enthalten (mit anderen Worten, betrifft die Masse Partikeln von Benzin sein Volumen nicht). Das Gesetz von Avogadro hat ihm erlaubt, die diatomic Natur von zahlreichem Benzin durch das Studieren der Volumina abzuleiten, an denen sie reagiert haben. Zum Beispiel: Da zwei Liter Wasserstoff mit dem gerade einem Liter Sauerstoff reagieren werden, um zwei Liter des Wasserdampfs zu erzeugen (am unveränderlichen Druck und der Temperatur), hat es bedeutet, dass sich ein einzelnes Sauerstoff-Molekül in zwei aufspaltet, um zwei Partikeln von Wasser zu bilden. So ist Avogadro im Stande gewesen, genauere Schätzungen der Atommasse von Sauerstoff und verschiedenen anderen Elementen anzubieten, und hat eine klare Unterscheidung zwischen Molekülen und Atomen gemacht. Jedoch in der ersten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts haben die meisten Chemiker die Ideen von Avogadro als übermäßig hypothetisch angesehen, und hatten theoretische Gründe dafür, die Wahrheit der Ideen von Avogadro zu bezweifeln. Diese Ideen wurden in der chemischen Gemeinschaft nur ungefähr nach 1860 weit akzeptiert.

1827 hat der britische Botaniker Robert Brown dass Staub-Partikeln innerhalb von Blütenstaub-Körnern bemerkt, die in Wasser ständig jiggled über aus keinem offenbaren Grund schwimmen. 1905 hat Albert Einstein theoretisiert, dass diese Brownsche Bewegung durch die Wassermoleküle verursacht wurde, die unaufhörlich durch die Körner verprügeln, und ein hypothetisches mathematisches Modell entwickelt hat, um es zu beschreiben. Dieses Modell wurde experimentell 1908 vom französischen Physiker Jean Perrin gültig gemacht, so zusätzliche Gültigkeitserklärung für die Partikel-Theorie (und durch die Erweiterung Atomtheorie) zur Verfügung stellend.

Atomtheorie-Meinungsverschiedenheit

Die Atomtheorie von Dalton ist umstritten im Laufe des 19. Jahrhunderts geblieben. Während das Gesetz des bestimmten Verhältnisses akzeptiert wurde, wurde die Hypothese, dass das wegen Atome war, nicht so weit akzeptiert. Zum Beispiel 1826, als Herr Humphry Davy Dalton die Königliche Medaille von der Königlichen Gesellschaft präsentiert hat, hat Davy gesagt, dass die Theorie nur nützlich geworden ist, als die Atomvermutung ignoriert wurde.

Herr Benjamin Collins Brodie 1866 hat den ersten Teil seiner Rechnung von Chemischen Operationen als eine nicht atomare Alternative zur Atomtheorie veröffentlicht. Er hat Atomtheorie als ein 'Völlig materialistisches Bit der Tischler-Arbeit' beschrieben. Alexander Williamson hat seine Präsidentenadresse nach London Chemische Gesellschaft 1869 verwendet, um die Atomtheorie gegen seine Kritiker und Zweifler zu verteidigen. Das hat der Reihe nach zu weiteren Sitzungen geführt, auf denen positivists wieder die Annahme angegriffen hat, dass es Atome gab. Ernst Mach hat auch der Atomtheorie entgegengesetzt. Die Sache wurde schließlich in der Bevorzugung von Dalton durch die Arbeit von Einstein an der Brownschen Bewegung am Anfang des 20. Jahrhunderts aufgelöst.

Entdeckung von subatomaren Partikeln

dachte, waren Atome die kleinstmögliche Abteilung der Sache bis 1897, als J.J. Thomson das Elektron durch seine Arbeit an Kathode-Strahlen entdeckt hat. Eine Crookes Tube ist ein gesiegelter Glasbehälter, in dem zwei Elektroden durch ein Vakuum getrennt werden. Wenn eine Stromspannung über die Elektroden angewandt wird, werden Kathode-Strahlen erzeugt, einen glühenden Fleck schaffend, wo sie das Glas am entgegengesetzten Ende der Tube schlagen. Durch das Experimentieren hat Thomson entdeckt, dass die Strahlen durch ein elektrisches Feld abgelenkt werden konnten (zusätzlich zu magnetischen Feldern, der bereits bekannt war). Er hat beschlossen, dass diese Strahlen, anstatt eine Form des Lichtes zu sein, aus sehr leichten negativ beladenen Partikeln zusammengesetzt wurden, die er "Körperchen" genannt hat (sie würden später umbenannte Elektronen durch andere Wissenschaftler sein).

Thomson hat geglaubt, dass die Körperchen aus den Molekülen von Benzin um die Kathode erschienen sind. Er hat so beschlossen, dass Atome teilbar waren, und dass die Körperchen ihre Bausteine waren. Um die gesamte neutrale Anklage des Atoms zu erklären, hat er vorgeschlagen, dass die Körperchen in einem gleichförmigen Meer der positiven Anklage verteilt wurden; das war das Pflaume-Pudding-Modell, weil die Elektronen in der positiven Anklage wie Pflaumen in einem Pflaume-Pudding eingebettet wurden (obwohl im Modell von Thomson sie nicht stationär waren).

Entdeckung des Kerns

Das Pflaume-Pudding-Modell von Thomson wurde 1909 von einem seiner ehemaligen Studenten, Ernest Rutherfords widerlegt, der entdeckt hat, dass der grösste Teil der positiven und Massenanklage eines Atoms in einem sehr kleinen Bruchteil seines Volumens konzentriert wird, das er angenommen hat, um am wirklichen Zentrum zu sein.

Im Goldfolie-Experiment, Hans Geiger und Ernest Marsden (Kollegen von Rutherford, der auf sein Geheiß arbeitet) Schuss-Alphateilchen an einer dünnen Platte von Gold, ihre Ablenkung mit einem Leuchtstoffschirm messend. In Anbetracht der sehr kleinen Masse der Elektronen, des hohen Schwungs der Alphateilchen und des unkonzentrierten Vertriebs der positiven Anklage des Pflaume-Pudding-Modells, haben die Experimentatoren angenommen, dass alle Alphateilchen die Goldplatte ohne bedeutende Ablenkung durchgeführt haben. Zu ihrem Erstaunen hat ein kleiner Bruchteil der Alphateilchen schwere Ablenkung erfahren.

Das hat Rutherford dazu gebracht, ein planetarisches Modell vorzuschlagen, in dem eine Wolke von Elektronen einen kleinen, kompakten Kern der positiven Anklage umgeben hat. Nur solch eine Konzentration der Anklage konnte das elektrische Feld erzeugen, das stark genug ist, um die schwere Ablenkung zu verursachen.

Die ersten Schritte zu einem Quant physisches Modell des Atoms

Das planetarische Modell des Atoms hatte zwei bedeutende Mängel. Das erste ist, dass, verschieden von Planeten, die eine Sonne umkreisen, Elektronen beladene Partikeln sind. Wie man bekannt, strahlt eine beschleunigende elektrische Anklage elektromagnetische Wellen gemäß der Formel von Larmor im klassischen Elektromagnetismus aus; eine umkreisende Anklage sollte Energie und Spirale zum Kern fest verlieren, damit in einem kleinen Bruchteil einer Sekunde kollidierend. Das zweite Problem bestand darin, dass das planetarische Modell nicht erklären konnte, hoch hat Emission und Absorptionsspektren von Atomen kulminiert, die beobachtet wurden.

Quant-Theorie hat Physik am Anfang des 20. Jahrhunderts revolutioniert, als Max Planck und Albert Einstein verlangt haben, dass leichte Energie ausgestrahlt oder in getrennten Beträgen vertieft wird, die als Quanten bekannt sind (einzigartig, Quant). 1913 hat Niels Bohr diese Idee in sein Modell von Bohr des Atoms vereinigt, in dem ein Elektron nur den Kern in besonderen kreisförmigen Bahnen mit dem festen winkeligen Schwung und der Energie, seiner Entfernung vom Kern (d. h., ihre Radien) umkreisen konnte proportional zu seiner Energie zu sein. Unter diesem Modell hat ein Elektron nicht spiralförmig in den Kern gekonnt, weil es Energie auf eine dauernde Weise nicht verlieren konnte; statt dessen konnte es nur sofortige "große Fortschritte" zwischen den festen Energieniveaus machen. Als das vorgekommen ist, wurde Licht ausgestrahlt oder an einer Frequenz absorbiert, die zur Änderung in der Energie (folglich die Absorption und Emission des Lichtes in getrennten Spektren) proportional ist.

Das Modell von Bohr war nicht vollkommen. Es konnte nur die geisterhaften Linien von Wasserstoff voraussagen; es konnte diejenigen von Mehrelektronatomen nicht voraussagen. Schlechter noch, als spectrographic Technologie hat sich verbessert, zusätzliche geisterhafte Linien in Wasserstoff wurden beobachtet, den das Modell von Bohr nicht erklären konnte. 1916 hat Arnold Sommerfeld elliptische Bahnen zum Modell von Bohr hinzugefügt, um die Extraemissionslinien zu erklären, aber das hat das Modell sehr schwierig gemacht zu verwenden, und es konnte noch kompliziertere Atome nicht erklären.

Entdeckung von Isotopen

Während das Experimentieren mit den Produkten des radioaktiven Zerfalls, 1913 radiochemist Frederick Soddy entdeckt hat, dass es geschienen ist, mehr als ein Element an jeder Position auf dem Periodensystem zu geben. Der Begriff Isotop wurde von Margaret Todd als ein passender Name für diese Elemente ins Leben gerufen.

Dass dasselbe Jahr J.J. Thomson ein Experiment durchgeführt hat, in dem er einen Strom von Neonionen durch magnetische und elektrische Felder geleitet hat, einen fotografischen Teller am anderen Ende schlagend. Er hat zwei glühende Flecke auf dem Teller beobachtet, der zwei verschiedene Ablenkungsschussbahnen angedeutet hat. Thomson hat beschlossen, dass das war, weil einige der Neonionen eine verschiedene Masse hatten. Die Natur dieser sich unterscheidenden Masse würde später durch die Entdeckung von Neutronen 1932 erklärt.

Entdeckung von Kernpartikeln

1917 hat Rutherford Stickstoff-Benzin mit Alphateilchen bombardiert und hat Wasserstoffkerne beobachtet, die vom Benzin ausstrahlen werden (Rutherford hat diese anerkannt, weil er sie vorher erhalten hatte, Wasserstoff mit Alphateilchen bombardierend, und Wasserstoffkerne in den Produkten beobachtend). Rutherford hat beschlossen, dass die Wasserstoffkerne aus den Kernen der Stickstoff-Atome selbst erschienen sind (tatsächlich, hatte er einen Stickstoff gespalten).

Von seiner eigenen Arbeit und der Arbeit seiner Studenten Bohr und Henry Moseleys hat Rutherford gewusst, dass die positive Anklage jedes Atoms immer zu dieser einer Zahl der ganzen Zahl von Wasserstoffkernen ausgeglichen werden konnte. Das, das mit den Tatsachen verbunden ist, dass Wasserstoff das leichteste Element bekannt war, und dass die Atommasse von vielen Elementen zu einer Zahl der ganzen Zahl von Wasserstoffatomen (das Gesetz von Prout) grob gleichwertig war, hat ihn dazu gebracht zu beschließen, dass Wasserstoffkerne einzigartige Partikeln und ein grundlegender Bestandteil aller Atomkerne waren. Er hat solche Partikel-Protone genannt. Das weitere Experimentieren durch Rutherford hat gefunden, dass die Kernmasse von den meisten Atomen die der Protone überschritten hat, die es besessen hat; er hat nachgesonnen, dass diese Überschussmasse aus bisher unbekannten neutral beladenen Partikeln zusammengesetzt wurde, die "Neutronen" versuchsweise synchronisiert wurden.

1928 hat Walter Bothe bemerkt, dass Beryllium ein hoch Eindringen, elektrisch neutrale Radiation, wenn bombardiert, mit Alphateilchen ausgestrahlt hat. Es wurde später entdeckt, dass diese Radiation Wasserstoffatome aus Paraffin schlagen konnte. Am Anfang, wie man dachte, war es energiereiche Gammastrahlung, seitdem Gammastrahlung eine ähnliche Wirkung auf Elektronen in Metallen hatte, aber James Chadwick hat gefunden, dass die Ionisationswirkung dafür zu stark war, um wegen der elektromagnetischen Radiation zu sein, so lange Energie und Schwung in der Wechselwirkung erhalten wurden. 1932 hat Chadwick verschiedene Elemente wie Wasserstoff ausgestellt, und Stickstoff, zur mysteriösen "Beryllium-Radiation", und durch das Messen der Energien des Zurückprallens hat Partikeln beladen, er hat abgeleitet, dass die Radiation wirklich aus elektrisch neutralen Partikeln zusammengesetzt wurde, die massless wie der Gammastrahl nicht sein konnten, aber stattdessen erforderlich waren, eine diesem eines Protons ähnliche Masse zu haben. Chadwick hat jetzt diese Partikeln als die Neutronen von Rutherford gefordert. Für seine Entdeckung des Neutrons hat Chadwick den Nobelpreis 1935 erhalten.

Quant physische Modelle des Atoms

1924 hat Louis de Broglie vorgeschlagen, dass alle bewegenden Partikeln — besonders subatomare Partikeln wie Elektronen — einen Grad des Welle ähnlichen Verhaltens ausstellen. Erwin Schrödinger, der durch diese Idee fasziniert ist, erforscht, ob die Bewegung eines Elektrons in einem Atom als eine Welle aber nicht als eine Partikel besser erklärt werden konnte. Die Gleichung von Schrödinger, veröffentlicht 1926, beschreibt ein Elektron als ein wavefunction statt als eine Punkt-Partikel. Diese Annäherung hat elegant viele der geisterhaften Phänomene vorausgesagt, die das Modell von Bohr gescheitert hat zu erklären. Obwohl dieses Konzept mathematisch günstig war, war es schwierig sich zu vergegenwärtigen, und hat Opposition ins Gesicht gesehen. Einer seiner Kritiker, Max Borns, hat stattdessen vorgeschlagen, dass der wavefunction von Schrödinger beschrieben nicht das Elektron, aber eher alle seine möglichen Staaten, und so verwendet werden konnte, um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, ein Elektron an jeder gegebenen Position um den Kern zu finden. Das hat die zwei gegenüberliegenden Theorien der Partikel gegen Welle-Elektronen beigelegt, und die Idee von der Dualität der Welle-Partikel wurde eingeführt. Diese Theorie hat festgestellt, dass das Elektron die Eigenschaften sowohl einer Welle als auch einer Partikel ausstellen kann. Zum Beispiel kann es wie eine Welle gebrochen werden, und hat Masse wie eine Partikel.

Eine Folge, Elektronen als Wellenformen zu beschreiben, besteht darin, dass es mathematisch unmöglich ist, gleichzeitig die Position und den Schwung eines Elektrons abzuleiten; das ist bekannt als der Unklarheitsgrundsatz von Heisenberg nach dem theoretischen Physiker Werner Heisenberg geworden, der ihn zuerst beschrieben hat und ihn 1927 veröffentlicht hat. Das hat das Modell von Bohr mit seinem ordentlichen ungültig gemacht, hat klar kreisförmige Bahnen definiert. Das moderne Modell des Atoms beschreibt die Positionen von Elektronen in einem Atom in Bezug auf Wahrscheinlichkeiten. Ein Elektron kann in jeder Entfernung vom Kern potenziell gefunden werden, aber, abhängig von seinem Energieniveau, besteht öfter in bestimmten Gebieten um den Kern als andere; dieses Muster wird seinen Atomaugenhöhlen-genannt. Die orbitals kommen in einer Vielfalt des Gestalt-Bereichs, Dummkopfs, Rings, usw. - mit dem Kern in der Mitte.

Siehe auch

• Geschichte des Moleküls
• Entdeckungen der chemischen Elemente
• Einführung in die Quant-Mechanik
• Kinetische Theorie
• Atomismus

Referenzen

Weiterführende Literatur

• Bernard Pullman (1998) Das Atom in der Geschichte des Menschen, hat trans. durch Axel Reisinger Gedacht. Oxford Univ. Drücken.

Links

• Atomismus durch S. Mark Cohen.
• Atomtheorie - hat über Information über die Atomtheorie in Bezug auf Elektronen und Elektrizität ausführlich berichtet.