Kémia Szakos

a két évszázadok óta Dalton fejlett az ötletek, a tudósok jelentős haladást ért el elősegítve a megértése atomi elmélete., Ennek nagy része számos szeminális kísérlet eredményeiből származott, amelyek feltárták az atomok belső szerkezetének részleteit. Itt megvitatjuk ezeket a kulcsfontosságú fejleményeket, különös hangsúlyt fektetve a tudományos módszer alkalmazására, valamint annak megértésére, hogy a kísérleti bizonyítékokat hogyan elemezték. Bár a történelmi személyek, dátumok mögött ezek a kísérletek is nagyon érdekes, ez a legfontosabb, hogy megértsük a fogalmak eredő munkájuk.

atomelmélet a tizenkilencedik század után

Ha az anyag atomokból állt, akkor miből álltak az atomok?, Ők voltak a legkisebb részecskék,vagy volt valami kisebb? Az 1800-as évek végén számos, az ilyen kérdések iránt érdeklődő tudós megvizsgálta az alacsony nyomású gázokban előállítható elektromos kisüléseket, a legjelentősebb felfedezést J. J. Thomson angol fizikus katódsugárcsövet használva. Ez a készülék zárt üvegcsőből állt, amelyből szinte az összes levegőt eltávolították; a cső két fémelektródát tartalmazott. Amikor nagyfeszültséget alkalmaztak az elektródákon, egy katódsugárnak nevezett látható gerenda jelent meg közöttük., Ezt a sugárnyalábot a pozitív töltés felé és a negatív töltéstől távol terelték el, és azonos tulajdonságokkal állították elő, amikor különböző fémeket használtak az elektródákhoz. Hasonló kísérletekben a sugarat egyidejűleg egy alkalmazott mágneses mező terelte el, és az elhajlás mértékének és a mágneses térerősségnek a mérése lehetővé tette Thomson számára, hogy kiszámítsa a katódsugár részecskék töltés / tömeg arányát. Ezeknek a méréseknek az eredményei azt mutatták, hogy ezek a részecskék sokkal könnyebbek, mint az atomok (1.ábra).,

1.ábra. a) J. J. Thomson látható fénysugarat készített egy katódsugárcsőben. b) Ez egy korai katódsugárcső, amelyet Ferdinand Braun 1897-ben talált fel. c) a katódsugárban a fénysugár (sárga színben) a katódból származik, és a cső végén lévő fluoreszkáló skála felé gyorsítja az anódot. Egyidejű torzulását által alkalmazott elektromos, mágneses mezők megengedett Thomson tömegének kiszámításához-hogy-díj aránya a részecskéket alkotó a katódsugaras., (credit a: módosítása munka Nobel Alapítvány; credit b: módosítása munka Eugen Nesper; credit c: módosítása munka által “Kurzon”/Wikimedia Commons)

megfigyelései alapján, itt van, amit Thomson javasolt, és miért: a részecskék vonzódnak a pozitív (+) Díjak és taszította negatív (-) díjak, így kell negatív töltésű (mint díjak taszítják, és ellentétben díjak vonzzák); ezek kevésbé masszív, mint az atomok és megkülönböztethetetlen, függetlenül attól, hogy a forrás anyag, így kell alapvető, minden atom szubatomi összetevői., Annak ellenére, hogy akkoriban ellentmondásos volt, Thomson ötletét fokozatosan elfogadták, és katódsugárrészecskéje az, amit most elektronnak nevezünk, negatív töltésű, szubatomi részecske, amelynek tömege több mint ezerszer kevesebb, mint egy atom. Az ” elektron “kifejezést 1891-ben George Stoney Ír fizikus alkotta meg az “elektromos ion” – ból.”

1909-ben Robert A amerikai fizikus további információkat fedezett fel az elektronról., Millikan keresztül az ő “olaj csepp” kísérletek. A Millikan mikroszkopikus olajcseppeket hozott létre, amelyeket súrlódással elektromosan fel lehet tölteni, ahogy kialakultak vagy röntgensugarak segítségével. Ezek a cseppek kezdetben a gravitáció miatt estek vissza, de lefelé történő előrehaladásukat lelassíthatja vagy akár megfordíthatja a készülékben alacsonyabb elektromos mező. Az elektromos térerősség beállításával, gondos mérések és megfelelő számítások elvégzésével a Millikan képes volt meghatározni a töltést az egyes cseppeken (2.ábra).

2.ábra., Millikan kísérlete az egyes olajcseppek töltését mérte. A táblázatos adatok példák néhány lehetséges értékre.

nézi a főnök adatok Millikan gyűlt össze, lehet, hogy felismerte, hogy a főnök egy csepp olaj mindig több konkrét felelős, 1.6 × 10-19 C. Millikan a következtetésre jutott, hogy ezt az értéket kell tehát, hogy legyen az alapvető díj—a vád egyetlen elektron—a mért díjak miatt túlzott egy elektron (1 alkalommal 1.6 × 10-19 C), két elektronok (2-szer 1.6 × 10-19 C), három elektronok (3-szor 1.,6 × 10-19 C), stb., egy adott olajcseppen. Mivel az elektron töltése a Millikan kutatása miatt már ismert volt, és a töltés-tömeg arány már ismert volt a Thomson kutatása miatt (1, 759 × 1011 C/kg), csak egy egyszerű számítást igényelt az elektron tömegének meghatározásához is.

\text{electron tömege}=1,602\times {10}^{-19}\text{C}\times\frac{1\text{kg}}} {1,759\times {10}^{11}\text{C}}=9.,107 \ times {10}^{-31} \ text {kg}

a tudósok megállapították, hogy az atom nem oszthatatlan, ahogy Dalton hitte, és Thomson, Millikan és mások munkája miatt a negatív, szubatomi részecskék—az elektronok—töltése és tömege ismert volt. Az atom pozitív töltésű részét azonban még nem értették jól. 1904-ben Thomson javasolta az atomok “szilva puding” modelljét, amely pozitív töltésű tömeget írt le, azonos mennyiségű negatív töltéssel, beágyazott elektronok formájában, mivel minden atom elektromosan semleges., Egy versengő modellt javasolt 1903-ban Hantaro Nagaoka, aki egy Szaturnusz-szerű atomot posztulált, amely egy pozitív töltésű gömbből áll, amelyet elektronok halo vesz körül (3.ábra).

3.ábra. a) Thomson azt javasolta, hogy az atomok hasonlítsanak a szilva pudingra, egy angol desszertre, amely nedves süteményből áll, beágyazott mazsolával (“szilva”). b) Nagaoka azt javasolta, hogy az atomok hasonlítsanak a Szaturnusz bolygóra, egy pozitív “bolygót körülvevő elektrongyűrűvel.,”(credit a: modification of work by “Man vyi” / Wikimedia Commons; credit b: modification of work by “NASA”/Wikimedia Commons)

Az atom megértésének következő jelentős fejlesztése Ernest Rutherfordtól, egy új-zélandi fizikustól származott, aki tudományos karrierjét nagyrészt Kanadában és Angliában töltötte., Ő elvégzett egy sor kísérletekben, a fény, a nagy sebességű, pozitív töltésű alfa-részecskék (α-részecskék), amelyek által a radioaktív bomlás, a rádium; α-részecskék áll a két proton, két neutron (még többet arról, hogy a radioaktív bomlás, a modul a nukleáris kémia)., Rutherford pedig a kollégái Hans Geiger (később híres a Geiger-számláló), valamint Ernest Marsden, amelynek célja egy sugár az α-részecskék, amelynek forrása volt ágyazva, egy vezető blokk hogy felszívja a sugárzás a legtöbb, egy nagyon vékony darab arany fóliával, majd megvizsgálta a keletkező szórás az α-részecskék segítségével egy világító képernyő világít rövid ideig, ahol elütötte egy α részecske.

mit fedeztek fel? A legtöbb részecske áthaladt a fólián anélkül, hogy egyáltalán elhajlott volna., Néhányan azonban kissé eltérítettek, és egy nagyon kis számot majdnem egyenesen visszairányítottak a forrás felé (4.ábra). Rutherford leírta ezeket az eredményeket: “ez volt a leghihetetlenebb esemény, ami valaha történt velem az életemben. Majdnem olyan hihetetlen volt, mintha egy 15 colos héjat lőtt volna egy darab papírzsebkendőre, és visszajött és eltalált volna.”

4.ábra., Geiger és Rutherford α-részecskéket lőttek ki egy aranyfóliára, és észlelték, hogy hová mentek ezek a részecskék, amint az a kísérletük sematikus ábráján látható. A részecskék többsége egyenesen átment a fólián, de néhányat kissé eltérítettek, és nagyon kis számban jelentősen eltérítettek.

Rutherford erre következtetett: mivel a legtöbb gyorsan mozgó α-részecske áthatolt az arany atomokon, az atomon belül lényegében üres térben kellett haladniuk., Az alfa-részecskék pozitív töltésűek, így az elhajlás akkor merült fel, amikor újabb pozitív töltéssel találkoztak (mint például a töltések taszítják egymást). Mivel az azonos töltések taszítják egymást, a néhány pozitív töltésű α-részecskék megváltozott utak hirtelen kell ütni, vagy szorosan közeledett, egy másik szerv is volt egy erősen koncentrált, pozitív töltés. Mivel az elhajlások az idő kis töredékét tették ki, ez a töltés csak kis mennyiségű helyet foglalt el az aranyfóliában., Az ilyen kísérletek sorozatának részletes elemzésével Rutherford két következtetést vont le:

1. az atom által elfoglalt térfogatnak nagy mennyiségű üres térből kell állnia.
2. egy kicsi, viszonylag nehéz, pozitív töltésű testnek, a magnak minden atom középpontjában kell lennie.

Ez az elemzés Rutherfordot arra késztette, hogy javasoljon egy olyan modellt, amelyben egy atom egy nagyon kicsi, pozitív töltésű magból áll, amelyben az atom tömegének nagy része koncentrálódik, a negatív töltésű elektronokkal körülvéve, hogy az atom elektromosan semleges legyen (5.ábra). Rutherford több kísérlet után azt is felfedezte, hogy más elemek magjai “építőelemként” tartalmazzák a hidrogénmagot, és ezt az alapvetőbb részecskét a protonnak, a magban található pozitív töltésű szubatomi részecskének nevezte., Az egyik kiegészítéssel, amelyet legközelebb megtanulsz, ez az atom nukleáris modellje, amelyet több mint egy évszázaddal ezelőtt javasoltak, ma is használják.

5.ábra. Az α-részecskék csak akkor térnek el, ha a sokkal nehezebb, pozitív töltésű aranymaggal ütköznek vagy közel haladnak. Mivel a mag nagyon kicsi az atom méretéhez képest, nagyon kevés α-részecskék vannak eltérítve. A legtöbb áthalad az elektronok által elfoglalt viszonylag nagy területen, amelyek túl könnyűek ahhoz, hogy eltérítsék a gyorsan mozgó részecskéket.,

egy másik fontos megállapítás az izotópok felfedezése volt. Az 1900-as évek elején a tudósok számos olyan anyagot azonosítottak, amelyek új elemeknek tűntek, elszigetelve őket a radioaktív ércektől. Például egy” új elem”, amelyet a tórium radioaktív bomlása okozott, eredetileg mesothorium nevet kapott., Egy részletesebb elemzés azonban azt mutatta, hogy a mezotórium kémiailag azonos volt a rádiummal (egy másik bomlástermék), annak ellenére, hogy eltérő atomtömeggel rendelkezik. Ez az eredmény, más elemek hasonló megállapításaival együtt, arra késztette az angol kémikus Frederick Soddy-t, hogy rájöjjön, hogy egy elemnek lehetnek olyan atomjai, amelyek különböző tömegekkel rendelkeznek, amelyek kémiailag megkülönböztethetetlenek voltak. Ezeket a különböző típusokat izotópoknak nevezik-ugyanazon elem atomjai, amelyek tömegükben különböznek. Soddy 1921-ben elnyerte a kémiai Nobel-díjat a felfedezésért.,

egy puzzle maradt: a magról ismert volt, hogy egy atom szinte teljes tömegét tartalmazza, a protonok száma csak a tömeg felét vagy annál kevesebbet biztosítja. Különböző javaslatokat tettek annak magyarázatára, hogy mi alkotja a fennmaradó tömeget, beleértve a semleges részecskék létezését a magban. Ahogy az várható volt, a nem töltött részecskék kimutatása nagyon nehéz, és James Chadwick csak 1932-ben talált bizonyítékot neutronokra, nem töltött, szubatomi részecskékre, amelyek tömege megközelítőleg megegyezik a protonokéval., A neutron létezése az izotópokat is magyarázta: tömegükben különböznek egymástól, mivel különböző számú neutronnal rendelkeznek, de kémiailag azonosak, mivel azonos számú protonnal rendelkeznek. Ezt később részletesebben ismertetjük.

Szójegyzék

alfa-részecske (α részecske): pozitív töltésű részecske, amely két proton, két neutron

elektron: negatív töltésű elemi részecske, a viszonylag alacsony tömeg kívül található, a mag

izotópok: atomok, amelyek ugyanannyi proton van, de különböző számú neutront

neutron: töltetlen, szubatomi részecske található, a mag

mag: hatalmas, pozitív töltésű közepén, egy atom-tette fel a protonok, illetve neutronok

a proton: pozitív töltésű elemi részecske található, a mag