Kimya ve fizikte, atom teorisi maddenin doğasının bilimsel bir teorisidir ve maddenin atomlar olarak adlandırılan ayrı birimlerden oluştuğu ifade edilmektedir. Antik Yunan’da felsefi bir kavram olarak başladı ve 19. yüzyılın başlarında, kimya alanındaki keşiflerin, maddenin atomlardan oluşmuş gibi davrandığını gösterdiği zaman, bilimsel ana akımına girdi.
Atom kelimesi, “bölünemez” anlamına gelen Eski Yunanca sıfat atomlarından gelir. 19. yüzyıl kimyacısı, indirilebilir olmayan kimyasal elementlerin sayısının artmasıyla bağlantılı olarak bu terimi kullanmaya başladı. 20. yüzyılın başlarında, elektromanyetizma ve radyoaktivite ile yapılan çeşitli deneyler sonucunda fizikçiler, “kesilemeyen atom” un aslında çeşitli atom altı parçacıkların (çoğunlukla elektronlar, protonlar ve nötronlar) birleştiği keşfettiler; Birbirinden ayrı olarak mevcuttur. Aslında, nötron yıldızları gibi aşırı aşırı ortamlarda, aşırı sıcaklık ve basınç, atomların varolmasını engeller. Atomların bölünebilir olduğu keşfedildiğinden, fizikçiler daha sonra “parçalanamayan” bir atomun parçalarını tanımlamak için “temel parçacıklar” terimini icat ettiler. Subatomik parçacıkları inceleyen bilim alanı parçacık fiziği ve bu alanda fizikçiler maddenin asıl temel doğasını keşfetmeyi umuyorlar.
Tarihçesi
Felsefi atomculuk
Maddenin ayrı birimlerden oluştuğu fikri çok eskidir ve Yunanistan ve Hindistan gibi birçok eski kültürde görülür. Bununla birlikte, bu fikirler kanıt ve deney olmaktan ziyade felsefi ve teolojik mantığa dayanıyordu. Bu nedenle, herkesi ikna edemediler, bu yüzden atomculuk sadece maddenin doğasındaki birçok teoriden biriydi. 19. yüzyıla kadar, fikirlerin bilim adamları tarafından kucaklaştığı ve rafine edilmediği, çünkü çiçek açan kimya bilimi, atom kavramıyla kolayca açıklanabilecek buluşlar üretti.
John Dalton
18. yüzyılın sonlarına doğru, bir atom teorisi kavramına atıfta bulunmaksızın kimyasal reaksiyonlarla ilgili iki kanun çıkageldi. Birincisi, 1789’da Antoine Lavoisier tarafından formüle edilen kütlenin korunması yasasıydı ki, kimyasal bir reaksiyondaki toplam kütlenin sabit kaldığı (yani, tepkenlerin ürünle aynı kütleye sahip olduğu) İkincisi kesin oranlar kanunudur. 1799’da Fransız kimyager Joseph Louis Proust tarafından ilk kez kanıtlanan bu kanun, bir bileşiğin kurucu unsurlarına bölünürse, bileşenlerin kitlelerinin her zaman miktarı veya kaynağı ne olursa olsun aynı orantılara sahip olacağı belirtilir.
Avogadro
Dalton’un teorisindeki kusur, ilke olarak 1811’de Amedeo Avogadro tarafından düzeltildi. Avogadro, eşit sıcaklık ve basınçtaki eşit miktardaki iki gazın eşit sayıda molekül içerdiğini önermişti (diğer bir deyişle, bir gazın parçacıklarının kütlesi onun kapladığı hacmi etkilemiyor). Avogadro’nun kanunları, tepki gösterdiği hacimleri inceleyerek sayısız gazın iki atomik yapısını türetmesine izin verdi. Örneğin: İki litre hidrojen, iki litre su buharı üretmek için sadece bir litre oksijen ile reaksiyona girer, bu da iki sabit su birimi oluşturmak için iki bölünmüş tek bir oksijen molekülü anlamına gelir. Böylece Avogadro, oksijen ve diğer çeşitli elementlerin atomik kütlesi hakkında daha doğru tahminler sunmayı başardı ve moleküller ve atomlar arasında net bir ayrım yaptı.
Brown Hareketi
1827’de İngiliz botanikçi Robert Brown, suda yüzen polen tanelerinin içindeki toz parçacıklarının belirgin bir nedenden ötürü sürekli titrediğini gözlemledi. 1905 yılında Albert Einstein, bu Brown hareketinin su moleküllerinin sürekli olarak tahılları çalarak ve onu tarif etmek için varsayımsal bir matematiksel model geliştirmesinden kaynaklandığını teorik olarak ortaya koydu. Bu model, 1908 yılında Fransız fizikçi Jean Perrin tarafından deneysel olarak onaylanmış ve bu şekilde parçacık teorisi için (ve uzatma atom teorisi için) ek geçerlilik sağlamıştır.
Atom altı parçacıkların keşfi
Atomların 1897’ye kadar maddenin mümkün olan en küçük bölümü olduğu düşünülüyordu. J.J. Thomson, elektronu katot ışınları üzerine yaptığı çalışmayla keşfetti.
Crookes tüpü, iki elektrotun vakum ile ayrıldığı kapalı cam bir kaptır. Elektrodlar arasında bir voltaj uygulandığında, katot ışınları tüpün zıt ucundaki cama vuracakları parlayan bir yama oluşturarak üretilir. Deney sayesinde Thomson, ışınların bir elektrik alanıyla (zaten bilinen manyetik alanlara ek olarak) saptırılabileceğini keşfetti. O, bu ışınların bir ışık biçimi olmaktan ziyade, “yuvarlar” olarak adlandırdığı çok hafif negatif yüklü parçacıklardan (daha sonra diğer bilim adamları tarafından elektron olarak yeniden adlandırılacaktır) oluştuğu sonucuna vardı. Kütle / yük oranını ölçmüş ve en küçük atom olan hidrojene göre 1800 kat daha küçük olduğunu keşfetmiştir. Bu tanecikler daha önce bilinen herhangi bir başka tanecik gibiydi.
Thomson, atomların bölünebilir olduğunu ve cesetlerin yapı taşları olduğunu önermişti. Atomun genel nötr yükünü açıklamak için, cesetlerin pozitif yüklü bir denize dağılmış olarak dağıtılmasını önerdi; Elektronlar bir erik pudinginde erik gibi pozitif şarjda gömülü olduğu için bu plum puding modeli (Thomson’un modelinde sabit olmamasına rağmen).
Atomun kuantum fiziksel modeline doğru ilk adımlar
Atomun gezegen modelinde iki önemli eksiklik vardı. Birincisi, güneşin etrafındaki gezegenlerin aksine elektronların parçacıkları yüklü olması. Klasik elektromanyetizma Larmor formülüne göre elektromanyetik dalgaları hızlandıran bir elektrik yükünün yayılım gösterdiği bilinmektedir. Yörünge yükü, çekirdeğe doğru sürekli enerji ve spiral kaybederek, saniyenin küçük bir kesri ile çarpışır. İkinci problem, gezegen modelinin, gözlemlenen atomların yüksek pikli emisyon ve absorpsiyon spektrumlarını açıklamamış olmasıydı.
İzotopların keşfi
Radyoaktif bozunma ürünleri ile denemeler yaparken 1913’te radyokimyacı Frederick Soddy, periyodik masanın her bir yerinde birden fazla element bulunduğu keşfedildi. İzotop terimi, Margaret Todd tarafından bu elementler için uygun bir isim olarak ortaya çıkmıştır.
Aynı yıl, J.J. Thomson, manyetik ve elektrik alanlarından neon iyonları akışı yaparak diğer ucunda bir fotoğraf plakasına çarpan bir deney gerçekleştirdi. İki değişik parmak izi öneren plakada parlayan yamalar gördü. Thomson bunun sebebi, neon iyonlarının bazılarının farklı bir kütleye sahip olduğudur. Bu farklı kütlenin doğası daha sonra 1932’de nötronların keşfi ile açıklanacaktı.
Atomun kuantum fiziksel modelleri
Louis de Broglie, 1924 yılında hareketli parçacıkların, özellikle de elektron gibi atom altı parçacıkların dalga benzeri bir davranış sergilediğini önermişti. Bu fikri hayran bırakan Erwin Schrödinger, bir atomdaki bir elektronun parçacık yerine bir dalga olarak daha iyi açıklanıp açıklanmayacağını araştırdı. 1926’da yayınlanan Schrödinger’in denklemi bir elektronu bir nokta parçacığı yerine dalga fonksiyonu olarak tanımlamaktadır. Bu yaklaşım, Bohr’un modelinin açıklayamadığı spektral fenomenlerden birçoğunu şık bir şekilde öngördü. Bu kavram matematiksel olarak uygun olsa da, görselleştirilmesi zor ve muhalefetle yüz yüze geldi. Eleştirmenlerinden biri olan Max Born, Schrödinger’in dalga işlevinin elektronu değil muhtemel tüm olası durumları tanımladığını ve dolayısıyla çekirdeğin etrafındaki herhangi bir yerde bir elektron bulma ihtimalini hesaplamak için kullanılabileceğini önerdi. Bu, parçacıklara karşı dalga elektronlarının karşıt iki teorisini uzlaştırdı ve dalga-parçacık ikiliği fikri ortaya çıktı. Bu teori, elektronun hem bir dalga hem de bir parçacık özelliklerini sergileyebileceğini belirtti. Örneğin, bir dalga gibi kırılabilir ve bir parçacık gibi kütleye sahiptir.