De când a fost propus prima dată de Democrit în secolul al V-lea î.Hr., modelul atomic a trecut prin mai multe perfecționări în ultimele câteva mii de ani. De la începuturile sale umile ca solid inert, indivizibil, care interacționează mecanic cu alți atomi, cercetările în curs și metodele îmbunătățite i-au determinat pe oamenii de știință să concluzioneze că atomii sunt de fapt compuși din particule și mai mici care interacționează între ele electromagnetic.
Aceasta a stat la baza teoriei atomice concepute de fizicianul englez J.J. Thompson la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea. Ca parte a revoluției care avea loc la acea vreme, Thompson a propus un model al atomului care consta din mai mult de o unitate fundamentală. Pe baza aspectului său, care a constat dintr-o „mare de sarcină pozitivă uniformă” cu electroni distribuiți peste tot, modelul lui Thompson a ajuns să fie poreclit „Modelul de budincă de prune”.
Deși dispărut conform standardelor moderne, modelul de budincă de prune reprezintă un pas important în dezvoltarea teoriei atomice. Nu numai că a încorporat noi descoperiri, cum ar fi existența electronului, ci a introdus și noțiunea de atom ca masă neinertă, divizibilă. De acum înainte, oamenii de știință vor înțelege că atomii erau ei înșiși compuși din unități mai mici de materie și că toți atomii au interacționat între ei prin multe forțe diferite.
Teoria atomică până în secolul al XIX-lea:
Cele mai vechi exemple cunoscute de teorie atomică provin din Grecia antică și India, unde filozofi precum Democrit au postulat că toată materia era compusă din unități minuscule, indivizibile și indestructibile. Termenul „atom” a fost inventat în Grecia antică și a dat naștere școlii de gândire cunoscută sub numele de „atomism”. Cu toate acestea, această teorie a fost mai mult un concept filozofic decât unul științific.
Diferiți atomi și molecule, așa cum sunt descrise în A New System of Chemical Philosophy a lui John Dalton (1808). Credit: Domeniu Public
Abia în secolul al XIX-lea, teoria atomilor a devenit articulată ca o chestiune științifică, fiind efectuate primele experimente bazate pe dovezi. De exemplu, la începutul anilor 1800, omul de știință englez John Dalton a folosit conceptul de atom pentru a explica de ce elementele chimice au reacționat în anumite moduri observabile și previzibile.
Dalton a început cu întrebarea de ce elementele au reacționat în rapoarte de numere întregi mici și a concluzionat că aceste reacții au avut loc în multipli întregi de unități discrete - adică atomi. Printr-o serie de experimente care implică gaze, Dalton a continuat să dezvolte ceea ce este cunoscut ca Teoria atomică a lui Dalton . Această teorie sa extins pe legile conversației de masă și proporții definite – formulate până la sfârșitul secolului al XVIII-lea – și rămâne una dintre pietrele de temelie ale fizicii și chimiei moderne.
Teoria se reduce la cinci premise: elementele, în starea lor cea mai pură, constau din particule numite atomi; atomii unui anumit element sunt toți la fel, până la ultimul atom; atomii diferitelor elemente pot fi deosebiți după greutățile lor atomice; atomii de elemente se unesc pentru a forma compuși chimici; atomii nu pot fi nici creați, nici distruși în reacția chimică, doar gruparea se schimbă vreodată.
Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au început să teoretizeze că atomul era alcătuit din mai mult de o unitate fundamentală. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință s-au aventurat că această unitate ar avea dimensiunea celui mai mic atom cunoscut - hidrogenul. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, situația se va schimba drastic.
Vedere laterală a unui fel de tub Crookes cu o cruce în picioare. Credit: Wikimedia Commons/D-Kuru
Experimentele lui Thompson:
Sir Joseph John Thomson (alias J.J. Thompson) a fost un fizician englez și profesor Cavendish de fizică la Universitatea din Cambridge din 1884 înainte. În anii 1880 și 1890, munca sa s-a învârtit în mare parte în jurul dezvoltării de modele matematice pentru procese chimice, a transformării energiei în termeni matematici și teoretici și a electromagnetismului.
Cu toate acestea, la sfârșitul anilor 1890, el a început să efectueze experimente folosind un tub catodic cunoscut sub numele de Tubul lui Crookes . Acesta constă dintr-un recipient de sticlă sigilat cu doi electrozi care sunt separați printr-un vid. Când tensiunea este aplicată peste electrozi, sunt generate raze catodice (care iau forma unui petic strălucitor de gaz care se întinde până la capătul îndepărtat al tubului).
Prin experimente, Thomson a observat că aceste raze ar putea fi deviate de câmpurile electrice și magnetice. El a concluzionat că, mai degrabă decât să fie compuse din lumină, au fost alcătuite din particule încărcate negativ pe care le-a numit „corpuscule”. La măsurarea raportului masă-încărcare a acestor particule, el a descoperit că acestea erau de 100 de ori mai mici și de 1800 de ori mai ușoare decât hidrogenul.
Acest lucru a infirmat efectiv ideea că atomul de hidrogen este cea mai mică unitate de materie, iar Thompson a mers mai departe, sugerând că atomii sunt divizibili. Pentru a explica sarcina globală a atomului, care consta atât din sarcini pozitive, cât și negative, Thompson a propus un model prin care corpusculii încărcați negativ erau distribuiti într-o mare uniformă de sarcină pozitivă.
O reprezentare a structurii atomice a atomului de heliu. Credit: Creative Commons
Acești corpusculi aveau să fie numiți mai târziu „electroni”, pe baza particulei teoretice prezise de fizicianul anglo-irlandez George Johnstone Stoney în 1874. Și din aceasta s-a născut Modelul Plum Pudding, numit așa pentru că semăna foarte mult cu deșertul englez, care constă din prajitura cu prune si stafide. Conceptul a fost introdus în lume în ediția din martie 1904 a Marii Britanii Revista Filosofică ,la o largă aclamație.
Probleme cu modelul de budincă de prune:
Din păcate, experimentele ulterioare au relevat o serie de probleme științifice cu modelul. Pentru început, a existat problema de a demonstra că atomul poseda o sarcină de fond pozitivă uniformă, care a ajuns să fie cunoscută sub numele de „Problema Thomson”. Cinci ani mai târziu, modelul avea să fie infirmat de Hans Geiger și Ernest Marsden, care au efectuat o serie de experimente folosind particule alfa și folie de aur.
În ceea ce va fi cunoscut sub numele de „ experiment cu folie de aur „, au măsurat modelul de împrăștiere al particulelor alfa cu un ecran fluorescent. Dacă modelul lui Thomson ar fi corect, particulele alfa ar trece prin structura atomică a foliei fără obstacole. Cu toate acestea, ei au remarcat în schimb că, în timp ce majoritatea au tras direct, unii dintre ei au fost împrăștiați în diferite direcții, unii mergând înapoi în direcția sursei.
Geiger și Marsden au concluzionat că particulele au întâlnit o forță electrostatică mult mai mare decât cea permisă de modelul lui Thomson. Deoarece particulele alfa sunt doar nuclee de heliu (care sunt încărcate pozitiv), aceasta a implicat că sarcina pozitivă din atom nu a fost dispersată pe scară largă, ci concentrată într-un volum mic. În plus, faptul că acele particule care nu au fost deviate au trecut prin nestingherite însemna că aceste spații pozitive au fost separate de goluri vaste de spațiu gol.
Rezultatele anticipate ale experimentului Gieger-Marsden (stânga) și rezultatele reale (dreapta). Credit: Wikimedia Commons/Kurzon
.
Până în 1911, fizicianul Ernest Rutherford a interpretat experimentele Geiger-Marsden și a respins modelul atomic al lui Thomson. În schimb, el a propus un model în care atomul consta în mare parte din spațiu gol, cu toată sarcina sa pozitivă concentrată în centrul său într-un volum foarte mic, care era înconjurat de un nor de electroni. Acesta a ajuns să fie cunoscut sub numele de Modelul Rutherford a atomului.
Experimentele ulterioare ale lui Antonius Van den Broek și Neils Bohr au rafinat modelul și mai mult. În timp ce Van den Broek a sugerat că numărul atomic al unui element este foarte asemănător cu sarcina sa nucleară, acesta din urmă a propus un model asemănător unui sistem solar al atomului, în care un nucleu conține numărul atomic al sarcinii pozitive și este înconjurat de o sarcină egală. numărul de electroni din învelișurile orbitale (alias Modelul Bohr ).
Deși ar ajunge să fie discreditat în doar cinci ani, „Modelul de budincă de prune” al lui Thomson s-ar dovedi a fi un pas crucial în dezvoltarea Model standard a fizicii particulelor. Munca sa de a determina că atomii erau divizibili, precum și existența forțelor electromagnetice în atom, s-ar dovedi, de asemenea, a fi o influență majoră asupra domeniului fizicii cuantice.
Am scris multe articole interesante pe tema teoriei atomice aici la Universe Today. De exemplu, aici este Câți atomi sunt în univers? , Modelul atomic al lui John Dalton , Care sunt părțile atomului? , Modelul atomic al lui Bohr ,
Pentru mai multe informații, asigurați-vă că consultați paginile Physic’s Worlds pe 100 de ani ai electronului: de la descoperire la aplicare și Masele de protoni și neutroni calculate din primele principii
Astronomy Cast are și câteva episoade pe acest subiect: Episodul 138: Mecanica cuantică , Episodul 139: Niveluri de energie și spectre, Episodul 378: Rutherford și atomii și Episodul 392: Modelul standard – Introducere .