Kjemi for Majors

I to århundrer siden Dalton utviklet sine ideer, forskere har gjort betydelige fremskritt i å fremme vår forståelse av atom-teorien., Mye av dette kom fra resultatene av flere banebrytende eksperimenter som avslørte detaljer om den interne strukturen av atomer. Her vil vi diskutere noen av de viktige utviklingstrekk, med hovedvekt på anvendelse av vitenskapelig metode, så vel som å forstå hvordan den eksperimentelle bevis ble analysert. Mens den historiske personer og datoer bak disse eksperimentene kan være ganske interessant, det er mest viktig å forstå begreper som følge av deres arbeid.

Atom-Teorien etter den Nittende Århundre

Hvis saken var satt sammen av atomer, hva var atomer består av?, Var de minste partikler, eller var det noe mindre? I slutten av 1800-tallet, en rekke forskere som er interessert i spørsmål som disse undersøkt elektriske utladninger som kan bli produsert i lav-press-gasser, med de mest betydningsfulle funn gjort av den engelske fysikeren J. J. Thomson ved hjelp av en cathode ray tube. Dette apparatet bestod av et lukket glassrør som nesten alle luften hadde blitt fjernet; røret inneholdt to metall-elektroder. Når det er høy spenning ble brukt over elektrodene, en synlig laserstråle som kalles en cathode ray dukket opp mellom dem., Denne strålen ble avledet mot den positive ladningen og bort fra negativ ladning, og ble produsert på samme måte med identiske egenskaper når ulike metaller ble brukt til elektrodene. I lignende eksperimenter, ray ble samtidig avledet av en brukt magnetisk felt, og målinger av omfanget av nedbøyning og magnetisk feltstyrke tillatt Thomson å beregne kostnad-til-masse forholdet mellom katoden ray-partikler. Resultatene av disse målingene indikerte at disse partiklene var mye lettere enn atomer (Figur 1).,

Figur 1. (a) J. J. Thomson produsert en synlig laserstråle i en cathode ray tube. (b) Dette er en tidlig cathode ray tube, oppfunnet i 1897 av Ferdinand Braun. (c) I katoden ray, strålen (vist i gult) kommer fra katoden og er akselererte forbi anode mot en fluorescerende skala på slutten av røret. Samtidig deflections av brukt elektrisk og magnetisk felt er tillatt Thomson å beregne masse-til-kostnad ratio av partikler komponere cathode ray., (kreditt-a: endring av arbeid av Nobel Foundation; med kreditt b: endring av arbeid av Eugen Nesper; kreditt c: endring av arbeid med «Kurzon»/Wikimedia Commons)

Basert på hans observasjoner, her er hva Thomson foreslått og hvorfor: partikler er tiltrukket av positive (+) avgifter og frastøtt av negativ (-) gebyrer, så må de være negativt ladet (like ladninger frastøter og i motsetning til ladninger tiltrekker); de er mindre omfattende enn atomer og sømløs, uavhengig av kilde-materiale, så de må være grunnleggende, subatomære bestanddeler av alle atomer., Selv om kontroversielt på den tiden, Thomson er ideen ble gradvis akseptert, og hans katoden ray-partikkel er det vi nå kaller et elektron, et negativt ladet, subatomære partikkel med masse mer enn ett tusen ganger mindre enn et atom. Begrepet «elektron» ble skapt i 1891 av Irsk fysikeren George Stoney, fra «elektrisk ion.»

I 1909, mer informasjon om elektronet ble avdekket av Amerikanske fysikeren Robert A., Millikan via hans «olje-drop» – eksperimenter. Millikan opprettet mikroskopiske dråper olje, som kan være elektrisk ladet av friksjon som de dannet eller ved bruk av X-stråler. Disse dråper i utgangspunktet falt på grunn av tyngdekraften, men den nedadgående fremgang kunne reduseres eller til og med reversert av et elektrisk felt lavere i apparatet. Ved å justere den elektriske feltstyrken og gjør forsiktig målinger og nødvendige beregninger, Millikan var i stand til å fastslå at belastningen på enkelte dråper (Figur 2).

Figur 2., Millikan er eksperimentere målt ansvaret for enkelte dråper olje. De ordnet data er eksempler på noen mulige verdier.

Ser på lade data som Millikan samlet, du kan ha innsett at ansvaret for en dråpe olje er alltid et multiplum av en bestemt belastning, 1.6 × 10-19 C. Millikan konkluderte med at denne verdien må derfor være en grunnleggende kostnad—ansvaret for en enkelt elektron—med hans målt priser på grunn av et overskudd av ett elektron (1 times 1.6 × 10-19 C), to elektroner (2 ganger 1.6 × 10-19 C), tre elektroner (3 ganger 1.,6 × 10-19 C), og så videre, på et gitt dråpe olje. Siden ladningen til et elektron var nå kjent på grunn av Millikan forskning, og gratis-til-masse-forhold som allerede var kjent på grunn av Thomson ‘ s forskning (1.759 × 1011 C/kg), det kreves bare en enkel beregning for å bestemme massen til elektronet som godt.

\text{Massen til elektronet}=1.602\ganger {10}^{-19}\text{D}\times\frac{1\text{kg}}{1.759\ganger {10}^{11}\text{D}}=9.,107\ganger {10}^{-31}\text{kg}

Forskere hadde nå etablert at atomet var ikke udelelig som Dalton hadde trodd, og på grunn av arbeidet med Thomson, Millikan, og andre, kostnad og masse av det negative, subatomære partikler—elektroner—ble kjent. Imidlertid positivt ladet del av et atom var likevel ikke godt forstått. I 1904, Thomson foreslo «plum pudding» modell av atomer, som beskrevet et positivt ladet masse med en lik mengde av negativ kostnad i form av elektroner som er innebygd i det, siden alle atomene er elektrisk nøytral., En konkurrerende modell hadde vært foreslått i 1903 av Hantaro Nagaoka, som postulerte en Saturn-som atom, som består av en positivt ladet sfære omgitt av en glorie av elektroner (Figur 3).

Figur 3. (en) Thomson foreslått at atomene lignet plum pudding, en engelsk dessert som består av fuktig kake med innebygd rosiner («plommer»). (b) Nagaoka foreslått at atomene lignet planeten Saturn, med en ring av elektroner rundt en positiv «planet.,»(kreditt-a: endring av arbeid med «Mann vyi»/Wikimedia Commons; kreditt b: endring av arbeid med «NASA»/Wikimedia Commons)

Den neste store utviklingen i forståelse atom kom fra Ernest Rutherford, en fysiker fra New Zealand som i stor grad brukt sin vitenskapelige karriere i Canada og England., Han utført en rekke eksperimenter med en bredde av high-speed, positivt ladet alfa-partikler (α-partikler) som ble produsert av radioaktiv nedbrytning av radium; α-partikler som består av to protoner og to nøytroner (du vil lære mer om radioaktiv nedbrytning i modul på kjernefysiske kjemi)., Rutherford og hans kolleger Hans Geiger (senere kjent for geigerteller) og Ernest Marsden rettet en bredde av α-partikler, kilden som ble innebygd i en føre-blokk for å absorbere mest mulig stråling, på et svært tynt stykke gull folie og undersøkt den resulterende spredning av α-partikler med en lysende skjerm som glødet kort hvor truffet av en α-partikkel.

Hva gjorde de oppdage? De fleste partikler gått rett gjennom folien uten å bli avledet i det hele tatt., Imidlertid, noen ble viderekoblet litt, og et svært lite antall ble avledet nesten rett tilbake mot kilden (Figur 4). Rutherford beskrevet finne disse resultatene: «Det var ganske mest utrolige hendelsen som har hendt meg i hele mitt liv. Det var nesten like utrolig som om du skjøt en 15-tomme skall på et stykke tørkepapir og den kom tilbake og traff deg.»

Figur 4., Geiger og Rutherford sparken α-partikler på et stykke gull folie og oppdaget hvor disse partiklene gikk, som vist i denne skjematisk diagram av deres eksperiment. De fleste av partikler gått rett gjennom folien, men et par ble avledet litt og et svært lite antall ble betydelig avledet.

Her er hva Rutherford utledes: Fordi de fleste av rask bevegelse α-partikler gått gjennom gull atomer undeflected, de må ha reist gjennom hovedsak tomrom inne i atomet., Alfa-partikler er positivt ladet, så deflections oppsto da de møtte en annen positiv ladning (like ladninger frastøter hverandre). Siden like ladninger frastøter hverandre, de få positivt ladet α-partikler som endret stier brått må treffe, eller tett nærmet seg, en annen kropp som også hadde en svært konsentrert, positiv ladning. Siden deflections oppstått en liten brøkdel av tiden, og dette gebyret bare opptatt en liten mengde av plass i gull folie., Å analysere en rekke slike eksperimenter i detalj, Rutherford trakk to konklusjoner:

1. volumet okkupert av et atom består av en stor mengde tomme rommet.
2. En liten, relativt tunge, positivt ladet kroppen, kjernen, må være på midten av hvert atom.

Denne analysen førte Rutherford til å foreslå en modell der et atom består av en svært lite, positivt ladet kjerne, der de fleste av massen til atomet er konsentrert, og er omgitt av negativt ladede elektroner, slik at atomet er elektrisk nøytralt (Figur 5). Etter mange flere eksperimenter, Rutherford oppdaget også at kjerner av andre elementer inneholde hydrogen kjernen som en «byggestein», og han kalte dette mer fundamental partikkel proton, positivt ladet, subatomære partikkel som finnes i kjernen., Med ett tillegg, som du vil lære neste, dette kjernefysiske modell av atomet, som foreslås over et århundre siden, er fortsatt brukes i dag.

Figur 5. De α-partikler er avledet bare når de kolliderer med eller passere nær mye tyngre, positivt ladet gull kjernen. Fordi kjernen er svært liten i forhold til størrelsen på et atom, er det svært få α-partikler er avledet. De fleste går gjennom relativt stort område okkupert av elektroner, som er for lys til å avlede den raskt bevegelige partikler.,

et Annet viktig funn var oppdagelsen av isotoper. Tidlig på 1900-tallet, forskere identifisert flere stoffer som så ut til å være nye elementer, er å isolere dem fra radioaktive malm. For eksempel, et «nytt element», produsert av radioaktiv nedbrytning av thorium ble opprinnelig gitt navnet mesothorium., Men en mer detaljert analyse viste at mesothorium var kjemisk identisk med radium (en annen forfall produkt), til tross for å ha en annen atommasse. Dette resultatet, sammen med tilsvarende funn for andre elementer, førte den engelske kjemiker Frederick Soddy å innse at et element kan ha typer atomer med ulike masser som var kjemisk utvisket. Disse forskjellige typene kalles isotoper—atomer av samme grunnstoff som er forskjellige i massen. Soddy ble tildelt nobelprisen i Kjemi i 1921 for denne oppdagelsen.,

forble En gåte: kjernen var kjent for å inneholde nesten alt av massen av et atom, med antall protoner gir bare halvparten, eller mindre, av at masse. Ulike forslag ble laget for å forklare hva som var den gjenværende massen, inkludert eksistensen av nøytrale partikler i kjernen. Som du kanskje forventer, å oppdage ladet partikler er svært utfordrende, og det var ikke før i 1932 som James Chadwick funnet bevis for nøytroner, ladet, subatomære partikler med masse omtrent den samme som protoner., Eksistensen av nøytron også forklart isotoper: De skiller seg i masse fordi de har ulikt antall nøytroner, men de er kjemisk identiske fordi de har samme antall protoner. Dette vil bli forklart i mer detalj senere.

Ordliste

alpha partikkel (α-partikkel): positivt ladet partikkel som består av to protoner og to nøytroner

elektron: negativt ladet, subatomære partikkel av relativt lave massen som ligger utenfor kjernen

isotoper: atomer som har samme antall protoner, men forskjellig antall nøytroner

nøytron: ladet, subatomære partikkel som ligger i kjernen

kjernen: massiv, positivt ladet midten av et atom består av protoner og nøytroner

proton: positivt ladet, subatomære partikkel som ligger i kjernen