Kemi for Majors

I de to århundreder siden Dalton udviklet sine idéer, forskerne har gjort betydelige fremskridt i at fremme vores forståelse af atomteorien., Meget af dette kom fra resultaterne af flere seminaleksperimenter, der afslørede detaljerne i atomernes indre struktur. Her vil vi diskutere nogle af disse nøgleudviklinger med vægt på anvendelse af den videnskabelige metode samt forståelse af, hvordan de eksperimentelle beviser blev analyseret. Mens de historiske personer og datoer bag disse eksperimenter kan være ganske interessant, det er mest vigtigt at forstå de begreber, der følger af deres arbejde.

atomteori efter det nittende århundrede

Hvis materien var sammensat af atomer, hvad var atomer sammensat af?, Var de de mindste partikler, eller var der noget mindre? I slutningen af 1800-tallet undersøgte en række forskere, der var interesseret i spørgsmål som disse, de elektriske udladninger, der kunne produceres i lavtryksgasser, med den mest betydningsfulde opdagelse, som den engelske fysiker J. J. Thomson gjorde ved hjælp af et katodestrålerør. Dette apparat bestod af et forseglet glasrør, hvorfra næsten al luft var blevet fjernet; røret indeholdt to metalelektroder. Når højspænding blev påført på tværs af elektroderne, optrådte en synlig stråle kaldet en katodestråle mellem dem., Denne stråle blev afbøjet mod den positive ladning og væk fra den negative ladning, og blev fremstillet på samme måde med identiske egenskaber, når forskellige metaller blev brugt til elektroderne. I lignende forsøg, ray samtidig blev afbøjet af en anvendt magnetfelt, og målinger af omfanget af deformation og den magnetiske feltstyrke tilladt Thomson til at beregne afgift-til-masse-forhold for cathode ray partikler. Resultaterne af disse målinger viste, at disse partikler var meget lettere end atomer (Figur 1).,

Figur 1. (a) J. J. Thomson fremstillede en synlig stråle i et katodestrålerør. (B) Dette er et tidligt katodestrålerør, opfundet i 1897 af Ferdinand Braun. (C) i katodestrålen kommer strålen (vist med gult) fra katoden og accelereres forbi anoden mod en fluorescerende skala i enden af røret. Samtidige afbøjninger ved påførte elektriske og magnetiske felter gjorde det muligt for Thomson at beregne masse-til-ladningsforholdet for de partikler, der udgør katodestrålen., (kredit a: ændring af det arbejde, som Nobel Foundation; kredit, b: ændring af arbejde af Eugen Nesper; kredit-c: ændring af arbejde “Kurzon”/Wikimedia Commons)

Baseret på sine observationer, her er hvad Thomson foreslået og hvorfor: De partikler, der er tiltrukket af den positive (+) afgifter og frastødt af den negative (-) afgifter, så skal de være negativt ladet (ens ladninger frastøder og i modsætning til afgifter tiltrække); de er mindre massiv end atomer og umulig at skelne, uanset den kilde materiale, så de skal være grundlæggende, sub-atomare bestanddele, der findes i alle atomer., Selvom kontroversiel på det tidspunkt, Thomsons id.blev gradvist accepteret, og hans katodestrålepartikel er det, vi nu kalder en elektron, en negativt ladet, subatomisk partikel med en masse mere end tusind gange mindre end et atom. Udtrykket ” elektron “blev opfundet i 1891 af den irske fysiker George Stoney, fra” elektrisk ion.”

i 1909 blev mere information om elektronen afsløret af den amerikanske fysiker Robert A., Millikan via hans” oliedråbe ” eksperimenter. Millikan skabte mikroskopiske oliedråber, som kunne være elektrisk ladet af friktion som de dannede eller ved hjælp af røntgenstråler. Disse dråber faldt oprindeligt på grund af tyngdekraften, men deres nedadgående fremskridt kunne blive bremset eller endda vendt af et elektrisk felt lavere i apparatet. Ved at justere den elektriske feltstyrke og foretage omhyggelige målinger og passende beregninger kunne Millikan bestemme ladningen på individuelle dråber (figur 2).

Figur 2., Millikan ‘ s eksperiment målte ladningen af individuelle oliedråber. De tabulerede data er eksempler på et par mulige værdier.

Kigger på den afgift data, der Millikan samlet, du kan have anerkendt, at afgiften af en dråbe olie er altid et multiplum af en særlig afgift, 1.6 × 10-19 C. Millikan konkluderede, at denne værdi skal derfor være en grundlæggende afgift—afgift af en enkelt elektron—med hans målt afgifter på grund af et overskud af en elektron (1 gange 1.6 × 10-19 C), to elektroner (2 gange 1.6 × 10-19 C), tre elektroner (3 gange 1.,6 10-1 10-19 C), og så videre, på en given oliedråbe. Da ladningen af en elektron nu var kendt på grund af Millikans forskning, og ladnings-til-masseforholdet allerede var kendt på grund af Thomsons forskning (1.759.1011 C/kg), krævede det kun en simpel beregning for også at bestemme elektronens masse.

\tekst{masse af elektron}=1.602\gange {10}^{-19}\Tekst{C}\gange\frac{1\tekst{kg}}{1.759\gange {10}^{11}\Tekst{C}}=9.,107\times {10}^{-31}\text{kg}

Forskere havde nu fastslået, at atomet ikke var udelelige, som Dalton havde troet, og på grund af det arbejde, Thomson, Millikan, og andre, ladning og masse af de negative, subatomare partikler—elektroner—var kendt. Imidlertid var den positivt ladede del af et atom endnu ikke godt forstået. I 1904 foreslog Thomson” plum pudding ” – modellen af atomer, som beskrev en positivt ladet masse med en lige stor mængde negativ ladning i form af elektroner indlejret i den, da alle atomer er elektrisk neutrale., En konkurrerende model var blevet foreslået i 1903 af Hantaro Nagaoka, der postulerede et Saturn-lignende atom, bestående af en positivt ladet kugle omgivet af en halo af elektroner (figur 3).

Figur 3. (a) Thomson foreslog, at atomer lignede blommepudding, en engelsk dessert bestående af fugtig kage med indlejrede rosiner (“blommer”). (B) Nagaoka foreslog, at atomer lignede planeten Saturn, med en ring af elektroner omkring en positiv “planet.,”(kredit a: ændring af arbejde ved “Mand vyi”/Wikimedia Commons; kredit, b: ændring af arbejde “NASA”/Wikimedia Commons)

Den næste store udvikling i forståelsen af atom kom fra Ernest Rutherford, en fysiker fra New Zealand, der i vid udstrækning brugt sin videnskabelige karriere i Canada og England., Han udførte en række eksperimenter ved hjælp af en stråle af high-speed, positivt ladede alfa-partikler (α-partikler), der blev produceret ved radioaktivt henfald af radium; α-partikler, der består af to protoner og to neutroner (du vil lære mere om radioaktivt henfald i modulet om nuklear kemi)., Rutherford og hans kolleger, Hans Geiger (senere berømt for geigertæller) og Ernest Marsden rettet en stråle af α-partikler, den kilde, som var indlejret i en blok til at føre absorberer det meste af strålingen, på et meget tyndt stykke guld folie og undersøgt den deraf følgende spredning af α-partikler ved hjælp af en lysende skærm, der skinnede kortvarigt, hvor ramt af en α-partikel.

hvad opdagede de? De fleste partikler passerede lige gennem folien uden at blive afbøjet overhovedet., Nogle blev imidlertid omdirigeret lidt, og et meget lille antal blev afbøjet næsten lige tilbage mod kilden (figur 4). Rutherford beskrev at finde disse resultater: “det var en helt utrolig begivenhed, der nogensinde er sket for mig i mit liv. Det var næsten lige så utroligt, som om du fyrede en 15-tommer skal på et stykke tissuepapir, og det kom tilbage og ramte dig.”

Figur 4., Geiger og Rutherford fyrede α-partikler på et stykke guldfolie og opdagede, hvor disse partikler gik, som vist i dette skematiske diagram over deres eksperiment. De fleste af partiklerne passerede lige gennem folien, men nogle få blev afbøjet lidt, og et meget lille antal blev markant afbøjet.

Her er, hvad Rutherford udledte: fordi de fleste af de hurtigt bevægende a-partikler passerede gennem guldatomerne, der ikke var flekteret, må de have rejst gennem det væsentlige tomme rum inde i atomet., Alfapartikler er positivt ladede, så afbøjninger opstod, da de stødte på en anden positiv ladning (som ladninger afviser hinanden). Da ligesom afgifter frastøder hinanden, de få positivt ladede particles partikler, der ændrede stier brat skal have ramt, eller tæt nærmede sig, en anden krop, der også havde en stærkt koncentreret, positiv ladning. Da afbøjningerne forekom en lille brøkdel af tiden, besatte denne ladning kun en lille mængde af pladsen i guldfolien., Ved at analysere en række sådanne eksperimenter i detaljer trak Rutherford to konklusioner:

1. det volumen, der er besat af et atom, skal bestå af en stor mængde tomt rum.
2. en lille, relativt tung, positivt ladet krop, kernen, skal være i midten af hvert atom.

Denne analyse førte Rutherford til at foreslå en model, hvor et atom består af en meget lille, positivt ladet kerne, hvor de fleste af massen af et atom er koncentreret, omgivet af negativt ladede elektroner, så atomet er elektrisk neutralt (Figur 5). Efter mange flere eksperimenter, Rutherford opdagede også, at kerner af andre elementer indeholde brint kernen som en “byggeklods”, og han kaldte denne mere grundlæggende partikel proton, de positivt ladede, subatomare partikel, der findes i kernen., Med en tilføjelse, som du vil lære næste, bruges denne nukleare model af atomet, der blev foreslået for over et århundrede siden, stadig i dag.

Figur 5. A-partiklerne afbøjes kun, når de kolliderer med eller passerer tæt på den meget tungere, positivt ladede guldkerne. Fordi kernen er meget lille sammenlignet med størrelsen af et atom, afbøjes meget få A-partikler. De fleste passerer gennem det relativt store område besat af elektroner, som er for lette til at afbøje de hurtigt bevægelige partikler.,Rutherford-Spredningssimuleringen giver dig mulighed for at undersøge forskellene mellem et “blommepudding” – atom og et Rutherford-atom ved at skyde α-partikler ved hver type atom.

et andet vigtigt fund var opdagelsen af isotoper. I begyndelsen af 1900 ‘ erne identificerede forskere flere stoffer, der syntes at være nye elementer, der isolerede dem fra radioaktive malme. For eksempel fik et” nyt element ” produceret ved det radioaktive henfald af thorium oprindeligt navnet mesothorium., En mere detaljeret analyse viste imidlertid, at mesothorium var kemisk identisk med radium (et andet henfaldsprodukt) på trods af at have en anden atommasse. Dette resultat, sammen med lignende fund for andre elementer, førte den engelske kemiker Frederick Soddy til at indse, at et element kunne have typer atomer med forskellige masser, der kemisk ikke kunne skelnes. Disse forskellige typer kaldes isotoper-atomer af det samme element, der adskiller sig i masse. Soddy blev tildelt Nobelprisen i kemi i 1921 for denne opdagelse.,

et puslespil forblev: kernen var kendt for at indeholde næsten hele massen af et atom, hvor antallet af protoner kun giver halvdelen eller mindre af den masse. Forskellige forslag blev fremsat for at forklare, hvad der udgjorde den resterende masse, herunder eksistensen af neutrale partikler i kernen. Som man kunne forvente, detektion af ladede partikler er meget udfordrende, og det var først i 1932, at James Chadwick fundet beviser for neutroner, kræves dækket, subatomare partikler med en masse på omkring det samme som, at af protoner., Eksistensen af neutron også forklaret isotoper: De adskiller sig i masse, fordi de har forskellige antal neutroner, men de er kemisk identiske, fordi de har det samme antal protoner. Dette vil blive forklaret mere detaljeret senere.

Ordbog

alpha partikel (α-partikel): positivt ladet partikel, der består af to protoner og to neutroner

elektron: negativt ladet, subatomare partikel af relativt lav masse, som ligger uden for kernen

isotoper: atomer, der indeholder det samme antal protoner, men et forskelligt antal neutroner

neutron: uladet, subatomar partikel, som ligger i kernen

nucleus: massiv, positivt ladet centrum i et atom består af protoner og neutroner

proton: positivt ladet, subatomar partikel, som ligger i kernen