Innehåll
- Demokrituspartikelteorin
- Democritus-experimentet för att bevisa att det finns atomer
- John Dalton och Modern Atomic Theory
- Partikelteori uppfyller Quantum
- Den moderna atomen
Partikelteorin om materien upptäcktes inte så mycket som den formulerades, och den formuleringen började i antika Grekland.
Personen som krediteras för att ha tänkt sig idén att världen består av små, odelbara partiklar är filosofen Democritus, som levde från 460 till 370 fvt. Han tänkte på ett experiment för att bevisa sin idé, och även om Democritus-experimentet kan verka alltför förenklat idag, hjälpte det att föda upp atombegreppet, som är centralt för den moderna förståelsen av materien.
Under århundradena som följde experimentet gjorde inte Democritus-partikelteorin mycket framsteg, men vid början av 1800-talet togs den upp av den engelska kemisten och fysikern John Dalton (1766 - 1844).
Daltons arbete förblev praktiskt taget oförändrat under större delen av ett sekel tills en besättning av moderna fysiker som inkluderade sådana namn som Thompson, Rutherford, Bohr, Planck och Einstein engagerade sig. Det var när gnistor började flyga, och världen gick in i kärnkraftsåldern.
Demokrituspartikelteorin
Det låter som om ordet "demokrati" kan ha härledts från hans namn, men Democritus var inte en politisk filosof. Ordet kommer faktiskt från de grekiska orden demonstrationer, vilket betyder "folket" och kratein, vilket betyder "att regera."
Demokritus kändes som den "skrattande filosofen" på grund av den stora vikt han lägger på glädje. atom. Han hänvisade till de små partiklarna som utgör allt i universum som Atomos, vilket betyder oskärbar eller odelbar.
Detta var inte hans enda banbrytande bidrag till vetenskapen. Demokritus var också den första som påpekade att ljuset vi ser från Vintergatan är det kombinerade ljuset från en mängd individuella stjärnor. Han föreslog också existensen av andra planeter och postulerade till och med existensen av flera universum, en idé som är i framkant av vetenskapen idag.
Enligt Aristoteles (384 - 322 fvt) trodde Democritus att människans själ var sammansatt av eldatomer och jordatomer. Detta var i strid med Aristoteles övertygelse om att världen består av de fyra elementen luft, eld, jord och vatten, och att förhållandet mellan elementen bestämde sakens egenskaper.
Aristoteles trodde till och med att elementen kunde förvandlas till varandra, en idé som drev fram sökningen efter filosofstenen under hela medeltiden.
Democritus-experimentet för att bevisa att det finns atomer
Varken Aristoteles eller den lika inflytelserika Platon (cirka 429 - 347 fvt) prenumererade på Democritus-partikelteorin, och det skulle ta 2000 år för den "skrattande filosofen" att tas på allvar. Det kan ha något att göra med det experiment som Democritus planerade för att bevisa sin teori, vilket var mindre än övertygande.
Democritus resonerade att om du tar en sten eller något annat föremål och fortsätter att dela den i hälften så kommer du så småningom till ett stycke som är så litet att det inte kan delas upp mer. Det sägs att han utförde detta experiment med ett snäckskal, och när han reducerade skalet till ett fint pulver som han inte längre kunde klippa i mindre bitar ansåg han det beviset på hans teorem.
Democritus var en materialist, till skillnad från Platon och Aristoteles, som trodde att händelsernas syften var viktigare än deras orsaker. Han var en pionjär inom matematik och geometri, och han var bland få människor på den tiden som trodde att jorden var sfärisk. Även om han inte kunde bevisa det övertygande, så är hans uppfattning om atomer som mestadels finns i tomt utrymme, var och en med en liten kardborre-stilkrok som tillät den att ansluta till andra atomer, inte så långt bort från atomens moderna vetenskapliga modell.
John Dalton och Modern Atomic Theory
Var Democritus teori korrekt? Svaret är ett kvalificerat ja, men det var inte ens betraktat som en möjlighet förrän 1800. Det var när John Dalton besöker det medan han arbetade på lagen om konstant sammansättning av den franska kemisten Joseph Proust. Prövningslag följde direkt från lagen om bevarande av massa, som hade upptäckts av en annan fransk kemist, Antoine Lavoisier.
Lagen om konstant sammansättning anger att ett prov av en ren förening, oavsett hur den erhålls, alltid innehåller samma element i samma massproportioner. Dalton insåg att detta bara skulle kunna vara sant om materien bestod av odelbara partiklar, som han kallade atomer (med ett nick i huvudet till Democritus). Dalton gjort fyra uttalanden om materia som tillsammans utgör hans atomteori:
Daltons atomteori förblev praktiskt taget oförändrad under större delen av 1800-talet.
Partikelteori uppfyller Quantum
Under det nittonde århundradet hade en debatt rasat om ljusets natur - vare sig det förökades som en våg eller en partikel. Många experiment bekräftade våghypotesen, och många fler bekräftade den corpuskulära. 1887 upptäckte den tyska fysikern Heinrich Hertz den fotoelektriska effekten när han gjorde experiment med en gnistgapgenerator. Denna upptäckt visade sig vara mycket viktigare än Hertz insåg.
Ungefär den tiden var den engelska fysikern J.J. Thompson upptäckte den första subatomära partikeln, elektron, genom att undersöka beteendet hos katodstrålar. Hans upptäckt hjälpte till att förklara vad som utgjorde den elektriska urladdningen från en ledande platta när du lyser på det - vilket är fotoelektrisk effekt - men inte vad som orsakar urladdningen eller varför styrkan hos den elektriska impulsen är relaterad till ljusfrekvensen. Lösningen fick vänta till 1914.
Ingen annan än Albert Einstein förklarade den fotoelektriska effekten i termer av små energipaket kvanta. Dessa hade föreslagits av den tyska fysikern Max Planck 1900. Einsteins förklaring bevisade kvantteori och han fick Nobelpriset för det.
Quanta, som Planck tänkte dem, var både partiklar och vågor på samma gång. Enligt Planck bestod ljus av kvanta som kallas fotoner, som var och en hade en viss energi definierad av dess frekvens. 1913 använde den danska fysikern Neils Bohr Plancks-teorin för att ge planetens modell av atomen, som föreslogs av Nya Zeelands fysiker Ernest Rutherford 1911, en kvantöverföring.
Den moderna atomen
I Bohrs-modellen av atomen kan elektroner byta banor genom att avge eller absorbera en foton, men eftersom fotoner är diskreta paket kan elektronerna bara ändra banor i diskreta mängder. Två experimenter, James Franck och Gustav Hertz, utformade ett experiment som bekräftade Bohrs hypotes genom att bombardera kvicksilveratomer med elektroner, och de gjorde det utan att ens veta om Bohrs arbete.
Med två modifieringar har Bohrs-modellen överlevt fram till idag, även om de flesta moderna fysiker anser att det är en approximation. Den första modifieringen var upptäckten av protonen av Rutherford 1920, och den andra var upptäckten av neutronen av den brittiska fysikern James Chadwick 1932.
Den moderna atomen är en bekräftelse av Democritus-partikelteorin, men den är också något av en förkastning. Atomer visar sig inte vara odelbara, och det är också sant för de elementära partiklarna som innehåller dem. Du kan dela upp elektroner, protoner och neutroner i mindre partiklar som kallas kvarkar, och det kan till och med vara möjligt att dela upp en kvark. Resan nerför kaninhålet är långt ifrån över.