Атомната теория - тоест вярата, че цялата материя е съставена от миниатюрни, неделими елементи - има много дълбоки корени. Въпреки това, той е възприет научно чак през 19 век, когато основан на доказателства подход започва да разкрива как изглежда атомният модел.
По това време Джон Далтън, английски химик, метеоролог и физик, започна серия от експерименти, които биха достигнали кулминация в него, предлагайки теорията за атомните състави - която след това ще бъде известна като Атомната теория на Далтън - това ще стане една от крайъгълен камък на съвременната физика и химия.
Освен създаването на модел за атомни взаимодействия, Джон Далтън също е натоварен с разработването на закони за разбиране как работят газовете. След време това би го накарало да заключи нещата за това как взаимодействат атомите, теглото на атомите и да изработи закони, които установяват атомната теория като научна дисциплина.
Законите на Далтън за газ:
Далтън излезе със своята теория за атомите в резултат на изследванията си за газове. Това започва през 1800 г., когато Далтън става секретар на Манчестърското литературно и философско дружество. Докато е там, Далтън започва да представя серия от есета, които очертават неговите експерименти върху състава на смесени газове, включително налягането на пара и други пари при различни температури, при изпаряване. и върху топлинното разширение на газовете.
В своите есе Далтън описва експерименти, в които се стреми да установи налягането на парата в различни точки между 0 и 100 ° C (32 и 212 ° F). Въз основа на своите наблюдения върху шест различни течности, Далтън заключава, че изменението на налягането на парата за всички течности е еквивалентно, за една и съща промяна на температурата и същата пара на всяко дадено налягане.
Той заключи също, че всички еластични течности под едно и също налягане се разширяват еднакво, когато се прилага топлина. Освен това той отбеляза, че при всяко дадено разширяване на живак (т.е. отбелязано повишаване на температурата с помощта на живачен термометър), че съответното разширение на въздуха е пропорционално по-малко, толкова по-висока е температурата.
Това стана в основата на закона на Далтън (известен още като закон за парциални налягания на Далтън), който гласи, че при смесване на нереагиращи газове общото налягане е равно на сбора от парциалните налягания на отделните газове.
Атомната теория на Далтън:
В хода на това изследване на газовете Далтън открива също, че определени газове могат да се комбинират само в определени пропорции, дори ако две различни съединения споделят един и същ общ елемент или група елементи.
Тези експерименти са изградени върху две теории, възникнали в края на 18 век, които се занимават с химични реакции. Първият е законът за запазване на масата, формулиран от Антоан Лавоазие през 1789 г., който гласи, че общата маса при химическа реакция остава постоянна - т.е. реагентите имат същата маса като продуктите.
Вторият е законът на определени пропорции, първият доказан от френския химик Джоузеф Луи Пруст през 1799 г. Този закон гласи, че ако дадено съединение се разгради на съставните му елементи, тогава масите на съставните части винаги ще имат същите пропорции, независимо на количеството или източника на оригиналното вещество.
Изучавайки тези закони и надграждайки върху тях, Далтън разработва своя закон с множество пропорции. Този закон гласи, че ако два елемента могат да бъдат комбинирани, за да образуват редица възможни съединения, тогава съотношенията на масите на втория елемент, които се комбинират с фиксирана маса на първия елемент, ще бъдат съотношения на малки цели числа.
С други думи, елементите се комбинират на атомно ниво във фиксирани съотношения, които естествено се различават в зависимост от съединенията, които се комбинират, поради техните уникални атомни тегла. Резултатите станаха основата на атомните закони или модел на Далтън, който се фокусира върху пет основни теореми. T
Състоянието, което елементите в най-чистото им състояние се състои от частици, наречени атоми; че атомите на конкретен елемент са еднакви, до последния атом; че атомите на различни елементи могат да бъдат разграничени от техните атомни тегла; че атомите на елементите се обединяват и образуват химични съединения; и че атомите не могат да бъдат създадени или унищожени при химическа реакция, само групирането се променя.
Далтън също вярва, че атомната теория може да обясни защо водата абсорбира различни газове в различни пропорции - например той открива, че водата абсорбира въглеродния диоксид далеч по-добре, отколкото абсорбира азота. Далтън предположи, че това се дължи на разликите в масата и сложността на съответните частици на газовете.
Всъщност именно това наблюдение се смята за първи път, когато Далтън намеква за предполагаемото съществуване на атоми. В документа, който се занимава с абсорбцията на газ във вода, който за първи път е публикуван през 1805 г., той пише:
„Защо водата не си признава по-голямата част от всички видове газ? Този въпрос разгледах надлежно и макар да не мога да се задоволя напълно, почти съм убеден, че обстоятелството зависи от теглото и броя на крайните частици от няколкото газове.”
Далтън предложи всеки химичен елемент да се състои от атоми от един-единствен уникален тип и въпреки че те не могат да бъдат променени или унищожени по химически начин, те могат да се комбинират, за да образуват по-сложни структури (т.е. химически съединения). Това бележи първата наистина научна теория на атома, тъй като Далтън стигна до своите заключения чрез експериментиране и изследване на резултатите по емпиричен начин.
Далтън и атомни тегла:
Далтън също започна да изучава атомните тегла въз основа на масовите съотношения, в които те се комбинират, като водородният атом се приема за стандарт. Далтън обаче е бил ограничен от суровостта на своите лабораторни инструменти и от факта, че не е предполагал, че атомите на определени елементи съществуват в молекулярна форма, като чист кислород (O2).
Той също така вярваше, че най-простото съединение между всеки два елемента винаги е по един атом. Това най-добре се илюстрира в това как той смята, че химическата формула за вода е НО, а не Н2О.
През 1803 г. Далтън представи устно първия си списък на относителните атомни тегла за редица вещества. Този документ е публикуван през 1805 г., но той не обсъжда там точно как е получил тези цифри. През 1807 г. неговият метод е разкрит от неговия познат Томас Томсън в третото издание на учебника на Томсън, Система на химията, Накрая Далтън публикува пълен акаунт в собствения си учебник, Нова система на химическата философия, през 1808 и 1810г.
Научни недостатъци:
Основният недостатък в теорията на Далтън - т.е. съществуването на молекули и атоми - по-късно е коригиран по принцип през 1811 г. от Амедео Авогадро. Avogadro предложи, че еднакви обеми на всеки два газа при еднаква температура и налягане съдържат равен брой молекули. С други думи, масата на газовите частици не влияе на обема, който заема.
Законът на Авогадро му позволи да изведе диатомичния характер на многобройните газове, като изучи обемите, при които те реагираха. По този начин Avogadro успя да предложи по-точни оценки на атомната маса на кислорода и различни други елементи и направи ясно разграничение между молекулите и атомите. Уви, тези и други открития противоречиха и усъвършенстваха теориите на Далтън.
Например, оттогава учените откриват, че атомът - считан някога за най-малката част от материята - всъщност може да бъде разделен на още по-малки елементарни частици. И като има предвид, че Далтън е замислен като атоми като едно цяло, без разделяне между положителни, отрицателни и неутрални заряди, последващи експерименти на J.J. Томсън, Ърнест Ръдърфорд и Нийл Бор разкриха по-сложна структура на атома.
По-късно тези теории са утвърдени чрез наблюдения, направени с електронния микроскоп. Знаем също, че атомното тегло е продукт на структурата на самите атоми. Следователно, атомният модел на Далтън в най-чистия си вид сега се счита за валиден само за химични реакции. Това обаче не намалява приноса на Далтън в съвременната наука.
Преди неговото време атомът е бил нещо повече от философска конструкция, предадена от класическата античност. Новаторската работа на Далтън не само превърна теорията в реалност, но доведе до много други открития, като например теорията на относителността на Айнщайн и квантовата теория на Планк - две области на изследване, които формират основата на съвременното ни разбиране за Космоса.
Тук сме писали много интересни статии за атомната теория в Space Magazine. Ето един за броя на атомите във Вселената, какви са частите на атома? Кой беше Демокрит?
Ако искате да научите повече за модела на Далтън, разгледайте статията от Университета Централен Куинсланд за атомния модел на Далтън.
Astronomy Cast записа много интересни епизоди по темата. Разгледайте ги - Епизод 138: Квантова механика, Епизод 378: Ръдърфорд и Атоми и Епизод 392: Стандартният модел - Intro.
