Atomteorin – det vill säga tron att all materia är sammansatt av små, odelbara element – har mycket djupa rötter. Till en början dök teorin upp för tusentals år sedan i grekiska och indiska texter som en filosofisk idé. Det anammades dock inte vetenskapligt förrän på 1800-talet, då ett evidensbaserat tillvägagångssätt började avslöja hur atommodellen såg ut.
Det var vid denna tidpunkt som John Dalton, en engelsk kemist, meteorolog och fysiker, började en serie experiment som skulle kulminera i att han föreslog teorin om atomsammansättningar – som därefter skulle kallas Daltons atomteori – som skulle bli en av de hörnstenar i modern fysik och kemi.
Förutom att skapa en modell för atomära interaktioner, är John Dalton också krediterad för att utveckla lagar för att förstå hur gaser fungerar. Med tiden skulle detta få honom att dra slutsatser om hur atomer interagerade, atomernas vikt och att utforma lagar som etablerar atomteori som vetenskaplig disciplin.
Daltons gaslagar:
Dalton kom med sin teori om atomer som ett resultat av sin forskning om gaser. Detta började år 1800, när Dalton blev sekreterare i Manchester Literary and Philosophical Society. Medan han var där, började Dalton skicka in en serie uppsatser som beskrev hans experiment om sammansättningen av blandade gaser, inklusive trycket från ånga och andra ångor vid olika temperaturer, vid avdunstning. och på den termiska expansionen av gaser.
I sina essäer beskrev Dalton experiment där han försökte fastställa ångtrycket vid olika punkter mellan 0 och 100 °C (32 och 212 °F). Baserat på sina observationer av sex olika vätskor, drog Dalton slutsatsen att variationen av ångtrycket för alla vätskor var likvärdig, för samma temperaturvariation och samma ånga för ett givet tryck.
Han drog också slutsatsen att alla elastiska vätskor under samma tryck expanderar lika mycket när värme appliceras. Vidare observerade han att för varje given expansion av kvicksilver (d.v.s. noterad temperaturökning med hjälp av en kvicksilvertermometer), att motsvarande expansion av luft är proportionellt mindre, ju högre temperaturen blir.
En skildring av heliumatomens atomära struktur. Kredit: Wikipedia/Creative Commons
Detta blev grunden som Daltons lag (aka. Daltons lag om partialtryck), som slog fast att i en blandning av icke-reagerande gaser är det totala trycket som utövas lika med summan av partialtrycken för de enskilda gaserna.
Daltons atomteori:
Under loppet av denna forskning om gaser upptäckte Dalton också att vissa gaser bara kunde kombineras i vissa proportioner, även om två olika föreningar delade samma gemensamma grundämne eller grupp av grundämnen.
Dessa experiment byggde på två teorier som hade dykt upp i 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 – det vill säga att reaktanterna har samma massa som produkterna.
Den andra var lag av bestämda proportioner , först bevisad av den franske kemisten Joseph Louis Proust 1799. Denna lag säger att om en förening bryts ner i dess beståndsdelar, så kommer massan av beståndsdelarna alltid att ha samma proportioner, oavsett kvantitet eller källa till originalet ämne.
Olika atomer och molekyler som avbildas i John Daltons A New System of Chemical Philosophy (1808). Kredit: Public Domain
Genom att studera dessa lagar och bygga vidare på dem utvecklade Dalton sina lag av flera proportioner . Denna lag säger att om två element kan kombineras för att bilda ett antal möjliga föreningar, så kommer förhållandena mellan massorna av det andra elementet, som kombineras med en fast massa av det första elementet, att vara förhållanden av små heltal.
Med andra ord, grundämnen kombineras på atomnivå i fasta förhållanden som naturligt skiljer sig beroende på föreningarna som kombineras, på grund av deras unika atomvikter. Fynden blev grunden för Daltons atomlagar eller modell, som fokuserar på fem grundläggande satser. T
Tillståndet att grundämnen, i sitt renaste tillstånd, består av partiklar som kallas atomer; att atomer av ett specifikt grundämne alla är likadana, ända till den allra sista atomen; att atomer av olika grundämnen kan skiljas åt genom deras atomvikter; att grundämnenas atomer förenas för att bilda kemiska föreningar; och att atomer varken kan skapas eller förstöras i kemisk reaktion, bara gruppen förändras 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 antog att detta berodde på skillnaderna i massa och komplexitet hos gasernas respektive partiklar.
Daltons modell av atomen, baserad på de fem punkterna i hans atomteori. Kredit: modernbiochemistry.weebly.com
I själva verket var det just denna observation som tros vara första gången som Dalton antydde den förmodade existensen av atomer. I den tidning som behandlade gasabsorption i vatten, som först publicerades 1805, skrev han:
'Varför släpper inte vatten in sin bulk av alla typer av gas likadant? Denna fråga har jag vederbörligen övervägt, och även om jag inte kan tillfredsställa mig själv är jag nästan övertygad om att omständigheten beror på vikten och antalet av de slutliga partiklarna i de olika gaserna.'
Dalton föreslog att varje kemiskt element är sammansatt 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 riktigt vetenskapliga teorin om atomen, sedan Dalton nådde sina slutsatser genom att experimentera och undersöka resultaten på ett empiriskt sätt.
Dalton och atomvikter:
Daltons började också studera atomvikter baserat på massförhållandena i vilka de kombinerades, med väteatomen som standard. Men Dalton begränsades av grovheten i sina laboratorieinstrument och det faktum att han inte trodde att atomerna i vissa grundämnen existerade 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 i hur han trodde att den kemiska formeln för vatten var H2O, inte H2ELLER.
John Dalton, den moderna atomteorins fader. Kredit: chemheritage.org
År 1803 presenterade Dalton muntligen sin första lista över relativa atomvikter för ett antal ämnen. Denna tidning publicerades 1805, men han diskuterade inte där exakt hur han fick fram dessa siffror. 1807 avslöjades hans metod av hans bekant Thomas Thomson, i den tredje upplagan av Thomsons lärobok,Ett system av kemi. Slutligen publicerade Dalton en fullständig redogörelse i sin egen lärobok,Ett nytt system för kemisk filosofi1808 och 1810.
Vetenskapliga brister:
Den huvudsakliga bristen i Daltons teori – det vill säga existensen av både molekyler och atomer – korrigerades senare i princip 1811 av Amedeo Avogadro. Avogadro föreslog att lika volymer av två gaser, vid samma temperatur och tryck, innehåller lika många molekyler. Med andra ord, massan av en gas partiklar påverkar inte volymen som den upptar.
Avogadros lag tillät honom att härleda den diatomiska karaktären hos många gaser genom att studera volymerna vid vilka de reagerade. Således kunde Avogadro erbjuda mer exakta uppskattningar av atommassan av syre och olika andra grundämnen, och gjorde en tydlig skillnad mellan molekyler och atomer. Tyvärr, dessa och andra upptäckter både motsade och förfinade Daltons teorier.
Till exempel har forskare sedan dess upptäckt att atomen – som en gång troddes vara den minsta delen av materien – faktiskt kan delas in i ännu mindre elementarpartiklar. Och medan Dalton uppfattades som atomer som en enda enhet utan separation mellan positiva, negativa och neutrala laddningar, efterföljande experiment av J.J. Thomson , Ernest Rutherford och Neils Bohr avslöjade en mer komplex struktur för atomen.
Neils Bohrs modell av en kväveatom. Kredit: britannica.com
Dessa teorier validerades senare av observationer gjorda med elektronmikroskopet. Vi vet också att atomvikten är en produkt av själva atomernas struktur. Därför anses Daltons atommodell, i sin renaste form, nu endast vara giltig för kemiska reaktioner. Detta minskar dock inte Daltons bidrag till modern vetenskap.
Före hans tid var atomen lite mer än en filosofisk konstruktion som gått i arv från den klassiska antiken. Daltons banbrytande arbete gjorde inte bara teorin till verklighet utan ledde till många andra upptäckter, som t.ex Einsteins relativitetsteori och Plancks kvantteori – två studieområden som ligger till grund för vår moderna förståelse av kosmos.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om atomteori här på Universum idag. Här är en om antalet Atomer I Universum , Vilka är delarna av atomen? , Vem var Demokrit? , Bohrs atommodell , och Vad är Plum Pudding-modellen?
Om du vill lära dig mer om Daltons modell, kolla in artikeln från Central Queensland University om Daltons atommodell .
Astronomy Cast har spelat in många intressanta avsnitt om ämnet. Kolla på dem - Avsnitt 138: Quantum Mechanics , Avsnitt 378: Rutherford and Atoms , och Avsnitt 392: Standardmodellen – Intro .
