Chemistry for Majors

under de två århundradena sedan Dalton utvecklade sina idéer har forskare gjort betydande framsteg för att främja vår förståelse av atomteori., Mycket av detta kom från resultaten av flera seminala experiment som avslöjade detaljerna i atomernas inre struktur. Här kommer vi att diskutera några av dessa viktiga utvecklingar, med tonvikt på tillämpning av den vetenskapliga metoden, samt förstå hur experimentella bevis analyserades. Medan de historiska personerna och datumen bakom dessa experiment kan vara ganska intressanta är det viktigast att förstå begreppen som härrör från deras arbete.

atomteori efter artonhundratalet

om materia bestod av atomer, vad var atomer sammansatta av?, Var de de minsta partiklarna, eller var det något mindre? I slutet av 1800-talet undersökte ett antal forskare intresserade av frågor som dessa de elektriska urladdningarna som kunde produceras i lågtrycksgaser, med den mest signifikanta upptäckten av den engelska fysikern J. J. Thomson som använde ett katodstrålerör. Denna apparat bestod av ett förseglat glasrör från vilket nästan all luft hade tagits bort; röret innehöll två metallelektroder. När högspänning applicerades över elektroderna uppträdde en synlig stråle som kallas en katodstråle mellan dem., Denna stråle avböjdes mot den positiva laddningen och bort från den negativa laddningen och producerades på samma sätt med identiska egenskaper när olika metaller användes för elektroderna. I liknande experiment avböjdes strålen samtidigt av ett applicerat magnetfält, och mätningar av avböjningsgraden och magnetfältstyrkan gjorde det möjligt för Thomson att beräkna laddning-till-massförhållandet hos katodstrålepartiklarna. Resultaten av dessa mätningar indikerade att dessa partiklar var mycket lättare än atomer (Figur 1).,

Figur 1. A) J. J. Thomson producerade en synlig stråle i ett katodstrålerör. (B) Detta är en tidig katodstrålerör, uppfanns 1897 av Ferdinand Braun. c) i katodstrålen kommer strålen (visas i gult) från katoden och accelereras förbi anoden mot en fluorescerande skala vid rörets ände. Samtidiga avböjningar genom tillämpade elektriska och magnetiska fält gjorde det möjligt för Thomson att beräkna mass-till-laddningsförhållandet för de partiklar som utgör katodstrålen., (kredit a: ändring av arbete med nobelstiftelsen; kredit-b: modifiering av arbete med Eugen Nesper; kredit c: ändring av arbete ”Kurzon”/Wikimedia Commons)

Baserat på hans observationer, här är vad Thomson föreslagna och varför: partiklar lockas av positiva (+) avgifter och stöts bort av negativa (-) avgifter, så de måste vara negativt laddade (lika laddningar stöter bort och till skillnad från avgifter locka); de är mindre omfattande än atomer och oskiljbara, oavsett material, så de måste vara grundläggande beståndsdelar beståndsdelar av alla atomer., Även om det var kontroversiellt vid den tiden accepterades Thomsons idé gradvis, och hans katodstrålepartikel är vad vi nu kallar en elektron, en negativt laddad subatomisk partikel med en massa mer än tusen gånger mindre än en atom. Termen ” elektron ”myntades 1891 av irländsk fysiker George Stoney, från” electric ion.”

1909 upptäcktes mer information om elektronen av den amerikanska fysikern Robert A., Millikan via hans” oljedroppe ” experiment. Millikan skapade mikroskopiska oljedroppar, som kan laddas elektriskt genom friktion när de bildas eller genom att använda röntgenstrålar. Dessa droppar föll initialt på grund av gravitationen, men deras nedåtgående framsteg kan sakta ner eller till och med vända av ett elektriskt fält lägre i apparaten. Genom att justera den elektriska fältstyrkan och göra noggranna mätningar och lämpliga beräkningar kunde Millikan bestämma laddningen på enskilda droppar (Figur 2).

Figur 2., Millikan experiment mätte laddningen av enskilda oljedroppar. Tabelldata är exempel på några möjliga värden.

om man tittar på laddningsdata som Millikan samlat in kan man ha insett att laddningen av en oljedroppe alltid är en multipel av en specifik laddning, 1.6 × 10-19 C. Millikan drog slutsatsen att detta värde därför måste vara en grundläggande laddning—laddningen av en enda elektron—med sina uppmätta laddningar på grund av ett överskott av en elektron (1 gånger 1.6 × 10-19 c), två elektroner (2 gånger 1.6 × 10-19 c), tre elektroner (3 gånger 1.,6 × 10-19 C), och så vidare, på en given oljedroppe. Eftersom laddningen av en elektron nu var känd på grund av Millikans forskning, och laddningsförhållandet var redan känt på grund av Thomsons forskning (1.759 × 1011 C/kg), krävde det bara en enkel beräkning för att bestämma elektronens massa också.

\ text{mass of electron}=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}

forskare hade nu fastställt att atomen inte var odelbar som Dalton hade trott, och på grund av Thomson, Millikan och andra var laddningen och massan av de negativa, subatomiska partiklarna—elektronerna—kända. Den positivt laddade delen av en atom var dock ännu inte väl förstådd. År 1904 föreslog Thomson” plommonpudding ” – modellen av atomer, som beskrev en positivt laddad massa med lika mycket negativ laddning i form av elektroner inbäddade i den, eftersom alla atomer är elektriskt neutrala., En konkurrerande modell hade föreslagits 1903 av Hantaro Nagaoka, som postulerade en Saturnus-liknande atom, bestående av en positivt laddad sfär omgiven av en elektrons halo (Figur 3).

Figur 3. (a) Thomson föreslog att atomer liknade plommonpudding, en engelsk efterrätt bestående av fuktig tårta med inbäddade russin (”plommon”). (B) Nagaoka föreslog att atomer liknade planeten Saturnus, med en ring av elektroner som omger en positiv ”planet.,”(kredit a: ändring av arbete ”Man vyi”/Wikimedia Commons); kredit-b: modifiering av arbete genom att ”NASA”/Wikimedia Commons)

nästa stora utveckling i förståelsen av den atom som kom från Ernest Rutherford, en fysiker från Nya Zeeland som till stor del tillbringade sin vetenskapliga karriär i Kanada och England., Han utförde en serie experiment med en stråle av höghastighets, positivt laddade alfapartiklar (α-partiklar) som producerades av radioaktivt sönderfall av radium; α-partiklar består av två protoner och två neutroner (du kommer att lära dig mer om radioaktivt sönderfall i modulen om kärnkemi)., Rutherford och hans kollegor Hans Geiger (senare känd för Geiger-räknaren) och Ernest Marsden riktade en stråle av α-partiklar, vars källa var inbäddad i ett blyblock för att absorbera det mesta av strålningen, vid en mycket tunn bit guldfolie och undersökte den resulterande spridningen av α-partiklarna med hjälp av en luminescerande skärm som glödde kort var träffad av en α-partikel.

vad upptäckte de? De flesta partiklar passerade direkt genom folien utan att avböjas alls., Vissa avleddes dock något, och ett mycket litet antal avvisades nästan rakt tillbaka mot källan (Figur 4). Rutherford beskrev att hitta dessa resultat: ”Det var ganska den mest otroliga händelsen som någonsin har hänt mig i mitt liv. Det var nästan lika otroligt som om du sköt ett 15-tums skal på en bit mjukpapper och det kom tillbaka och slog dig.”

Figur 4., Geiger och Rutherford avfyrade α-partiklar vid en bit guldfolie och upptäckte var dessa partiklar gick, vilket visas i detta schematiska diagram över deras experiment. De flesta partiklarna passerade rakt genom folien, men några avvisades något och ett mycket litet antal avvisades signifikant.

Här är vad Rutherford härledde: eftersom de flesta av de snabbrörliga α-partiklarna passerade genom guldatomerna obefläckade måste de ha rest genom väsentligen tomt utrymme inuti atomen., Alfa partiklar är positivt laddade, så avböjningar uppstod när de stött på en annan positiv laddning (som laddningar avvärja varandra). Eftersom liksom avgifter avvärja varandra, de få positivt laddade α partiklar som förändrade vägar plötsligt måste ha träffat, eller nära närmade sig, en annan kropp som också hade en mycket koncentrerad, positiv laddning. Eftersom avböjningarna inträffade en liten del av tiden, upptog denna laddning endast en liten del av utrymmet i guldfolien., Analysera en serie av sådana experiment i detalj drog Rutherford två slutsatser:

1. volymen som upptas av en atom måste bestå av en stor mängd tomt utrymme.
2. en liten, relativt tung, positivt laddad kropp, kärnan, måste vara i mitten av varje atom.

denna analys ledde Rutherford att föreslå en modell där en atom består av en mycket liten, positivt laddad kärna, där det mesta av atomens massa är koncentrerad, omgiven av de negativt laddade elektronerna, så att atomen är elektriskt neutral (Figur 5). Efter många fler experiment upptäckte Rutherford också att kärnorna i andra element innehåller vätekärnan som ett” byggblock ” och han namngav denna mer grundläggande partikel proton, den positivt laddade, subatomära partikeln som finns i kärnan., Med ett tillägg, som du kommer att lära dig nästa, används denna kärnmodell av atomen, som föreslogs för över ett sekel sedan, fortfarande idag.

Figur 5. Α-partiklarna avböjs endast när de kolliderar med eller passerar nära den mycket tyngre, positivt laddade guldkärnan. Eftersom kärnan är mycket liten jämfört med storleken på en atom, avböjs mycket få α-partiklar. De flesta passerar genom den relativt stora regionen som upptas av elektroner, som är för lätta för att avleda de snabbt rörliga partiklarna.,

ett annat viktigt fynd var upptäckten av isotoper. Under början av 1900-talet identifierade forskare flera ämnen som verkade vara nya element och isolerade dem från radioaktiva malmer. Till exempel fick ett ”nytt element” som producerades av det radioaktiva sönderfallet av torium ursprungligen namnet mesothorium., En mer detaljerad analys visade emellertid att mesotorium var kemiskt identiskt med radium (en annan sönderfallsprodukt), trots att det hade en annan atommassa. Detta resultat, tillsammans med liknande resultat för andra element, ledde den engelska kemisten Frederick Soddy att inse att ett element kunde ha typer av atomer med olika massor som var kemiskt oskiljbara. Dessa olika typer kallas isotoper-atomer av samma element som skiljer sig åt i massa. Soddy tilldelades Nobelpriset i kemi 1921 för denna upptäckt.,

ett pussel kvarstod: kärnan var känd för att innehålla nästan hela massan av en atom, med antalet protoner som endast ger hälften eller mindre av den massan. Olika förslag lades fram för att förklara vad som utgjorde den återstående massan, inklusive förekomsten av neutrala partiklar i kärnan. Som du kan förvänta dig är det mycket utmanande att upptäcka oladdade partiklar, och det var inte förrän 1932 som James Chadwick hittade bevis på neutroner, oladdade, subatomiska partiklar med en massa ungefär samma som protons., Förekomsten av neutronen förklarade också isotoper: de skiljer sig åt i massa eftersom de har olika antal neutroner, men de är kemiskt identiska eftersom de har samma antal protoner. Detta kommer att förklaras mer detaljerat senare.

ordlista

alfapartikel (α-partikel): positivt laddad partikel bestående av två protoner och två neutroner

elektron: negativt laddad, subatomär partikel med relativt låg massa belägen utanför kärnan

isotoper: atomer som innehåller samma antal protoner men olika antal neutroner

neutron: oladdad, subatomär partikel belägen i kärnan

p>

kärna: massiv, positivt laddad centrum av en atom som består av protoner och neutroner

proton: positivt laddad, subatomär partikel belägen i kärnan