Atomteorin - det vill säga troen på att all materia består av små odelbara element - har mycket djupa rötter. Men det omfamnades inte vetenskapligt förrän på 1800-talet, då en evidensbaserad strategi började avslöja hur atommodellen såg ut.
Det var vid denna tidpunkt som John Dalton, en engelsk kemist, meteorolog och fysiker, inledde en serie experiment som skulle kulminera i honom som föreslog teorin om atomkompositioner - som därefter skulle bli känd som Daltons atomteori - som skulle bli en av de hörnstenar i modern fysik och kemi.
Utöver att skapa en modell för atomiska interaktioner krediteras John Dalton också med att utveckla lagar för att förstå hur gaser fungerar. Med tiden skulle detta leda honom att dra slutsatser om hur atomer interagerade, atomernas vikt och att utforma lagar som skapar atomteori som vetenskaplig disciplin.
Daltons gaslagar:
Dalton kom med sin teori om atomer till följd av sin forskning om gaser. Detta började 1800, då Dalton blev sekreterare för Manchester Literary and Philosophical Society. Dalton började lämna in en serie uppsatser som beskrev hans experiment på sammansättning av blandade gaser, inklusive ångestrycket och andra ångor vid olika temperaturer, vid förångning. och på den termiska expansionen av gaser.
I sina uppsatser beskrev Dalton experiment där han försökte fastställa ångtrycket vid olika punkter mellan 0 och 100 ° C (32 och 212 ° F). Baserat på hans observationer av sex olika vätskor drog Dalton slutsatsen att variationen av ångtryck för alla vätskor var ekvivalent, för samma temperaturvariation och samma ånga för varje givet tryck.
Han drog också slutsatsen att alla elastiska vätskor under samma tryck expanderar lika när värme appliceras. Vidare observerade han att för varje given expansion av kvicksilver (dvs noterad temperaturökning med användning av en kvicksilvertermometer), att motsvarande expansion av luft är proportionellt mindre, ju högre temperaturen går.
Detta blev grunden då Daltons lag (alias Daltons lag om partiella tryck), som förklarade att i en blandning av icke-reagerande gaser är det totala trycket som utövas lika med summan av partiella tryck för de enskilda gaserna.
Daltons atomteori:
Under denna undersökning av gaser upptäckte Dalton också att vissa gaser endast kunde kombineras i vissa proportioner, även om två olika föreningar delade samma gemensamma element eller grupp av element.
Dessa experiment byggde på två teorier som framkom nära slutet av 1700-talet som handlade om kemiska reaktioner. Den första var lagen om bevarande av massa, formulerad av Antoine Lavoisier 1789, som säger att den totala massan i en kemisk reaktion förblir konstant - dvs att reaktanterna har samma massa som produkterna.
Den andra var lagen med bestämda proportioner, först bevisad av den franska kemisten Joseph Louis Proust 1799. Denna lag säger att om en förening bryts ned i dess beståndsdelar, så kommer massorna i beståndsdelarna alltid att ha samma proportioner, oavsett av mängden eller källan till det ursprungliga ämnet.
Dalton studerade dessa lagar och byggde på dem och utvecklade sin lag med flera proportioner. Denna lag säger att om två element kan kombineras för att bilda ett antal möjliga föreningar, kommer förhållandet mellan massorna av det andra elementet, som kombineras med en fast massa av det första elementet, att vara förhållanden med små heltal.
Med andra ord, elementen kombineras på atomnivå i fasta förhållanden som naturligt skiljer sig baserat på föreningarna som kombineras på grund av deras unika atomvikter. Resultaten blev grunden för Daltons Atomic Laws eller Model, som fokuserar på fem grundläggande teorem. T
Tillståndet att element i deras renaste tillstånd består av partiklar som kallas atomer; att atomerna i ett specifikt element är desamma, ända fram till den sista atomen; att atomer från olika element kan berättas isär med sina atomvikter; att atomer av element förenas för att bilda kemiska föreningar; och att atomer varken kan skapas eller förstöras i kemisk reaktion, bara grupperingarna ändras någonsin.
Dalton trodde också att atomteorin kunde förklara varför vatten absorberade olika gaser i olika proportioner - till exempel fann han att vatten absorberade koldioxid mycket bättre än det absorberade kväve. Dalton ansåg att detta berodde på skillnaderna i massa och komplexitet hos gasernas respektive partiklar.
I själva verket var det just denna observation som tros vara första gången som Dalton antydde att det antas att det finns atomer. I tidningen som behandlade gasabsorption i vatten, som först publicerades 1805, skrev han:
”Varför tillåter inte vatten sin största del av alla typer av gas? Denna fråga har jag vederbörligen övervägt, och även om jag inte kan fullständigt tillfredsställa mig är jag nästan övertygad om att omständigheten beror på vikten och antalet slutliga partiklar i flera gaser.”
Dalton föreslog att varje kemiskt element består av atomer av en enda, unik typ, och även om de inte kan förändras eller förstöras med kemiska medel, kan de kombineras för att bilda mer komplexa strukturer (dvs. kemiska föreningar). Detta markerade den första verkligt vetenskapliga teorin om atomen, eftersom Dalton nådde sina slutsatser genom experiment och undersökning av resultaten på ett empiriskt sätt.
Dalton och atomvikter:
Dalton's började också studera atomvikter baserade på massförhållandena i vilka de kombinerades, med väteatomen som tas som standard. Dalton begränsades emellertid av grovheten i hans laboratorieinstrument och det faktum att han inte tänkte att atomerna i vissa element finns i molekylär form, såsom rent syre (O2).
Han trodde också att den enklaste föreningen mellan två element alltid är en atom vardera. Detta illustrerades bäst genom hur han trodde att den kemiska formeln för vatten var HO, inte H2O.
År 1803 presenterade Dalton muntligt sin första lista över relativa atomvikter för ett antal ämnen. Detta papper publicerades 1805, men han diskuterade inte exakt hur han fick dessa siffror. 1807 avslöjades hans metod av hans bekant Thomas Thomson, i den tredje upplagan av Thomsons lärobok, Ett system för kemi. Slutligen publicerade Dalton ett fullständigt konto i sin egen lärobok, Ett nytt system för kemisk filosofi1808 och 1810.
Vetenskapliga brister:
Den huvudsakliga bristen i Daltons teori - dvs förekomsten av både molekyler och atomer - korrigerades senare i princip 1811 av Amedeo Avogadro. Avogadro föreslog att lika stora volymer av två gaser, vid samma temperatur och tryck, innehålla lika många molekyler. Med andra ord påverkar inte massan av en gaspartiklar volymen som den upptar.
Avogadros lag tillät honom att härleda den diatomiska naturen hos många gaser genom att studera volymerna på vilka de reagerade. Således kunde Avogadro erbjuda mer exakta uppskattningar av atommassan av syre och olika andra element, och gjorde en tydlig åtskillnad mellan molekyler och atomer. Tyvärr, dessa och andra upptäckter motsatte sig och förfinade Daltons teorier.
Till exempel har forskare sedan dess upptäckt att atomen - en gång trodde att vara den minsta delen av materien - i själva verket kan delas upp i ännu mindre elementära partiklar. Och medan Dalton uppfattas som atomer som en enda enhet utan skillnad mellan positiva, negativa och neutrala laddningar, efterföljande experiment av J.J. Thomson, Ernest Rutherford och Neils Bohr avslöjade en mer komplex struktur för atomen.
Dessa teorier validerades senare genom observationer gjorda med elektronmikroskopet. Vi vet också att atomvikten är en produkt av själva atomernas struktur. Daltons Atomic Model, i sin renaste form, anses därför bara vara giltig för kemiska reaktioner. Detta minskar dock inte Daltons bidrag till modern vetenskap.
Före sin tid var atomen lite mer än en filosofisk konstruktion som gått från den klassiska antiken. Daltons banbrytande arbete gjorde inte bara teorin till verklighet utan ledde till många andra upptäckter, till exempel Einsteins relativitetsteori och Plancks kvanteteori - två studiefält som ligger till grund för vår moderna förståelse av kosmos.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om atomteori här på Space Magazine. Här är en del om antalet atomer i universum, vad är delarna av atomen ?, Vem var demokrati, Bohrs atommodell och vad är plommapuddingmodellen?
Om du vill lära dig mer om Daltons modell kan du läsa artikeln från Central Queensland University om Daltons Atomic-modell.
Astronomy Cast har spelat in många intressanta avsnitt om ämnet. Kolla in dem - Avsnitt 138: Quantum Mechanics, Avsnitt 378: Rutherford and Atoms, och avsnitt 392: The Standard Model - Intro.
