Атомна теорія - тобто віра, що вся матерія складається з крихітних нероздільних елементів - має дуже глибоке коріння. Однак це було прийнято науково до 19 століття, коли доказовий підхід почав розкривати, як виглядає атомна модель.
Саме в цей час Джон Далтон, англійський хімік, метеоролог і фізик, розпочав серію експериментів, яка б досягла його кульмінації, пропонуючи теорію атомних композицій - яка згодом буде відома як атомна теорія Далтона - що стане однією з наріжні камені сучасної фізики та хімії.
Крім створення моделі атомних взаємодій, Джону Далтону також приписують розробку законів для розуміння того, як працюють гази. З часом це призведе до висновку про те, як взаємодіяли атоми, вагу атомів, і створити закони, що встановлюють атомну теорію як наукову дисципліну.
Газові закони Далтона:
Далтон придумав свою теорію атомів в результаті своїх досліджень газів. Це почалося в 1800 році, коли Далтон став секретарем Манчестерського літературно-філософського товариства. Перебуваючи там, Далтон почав подавати серію нарисів, в яких виклав свої експерименти щодо конституювання змішаних газів, включаючи тиск пари та інших парів при різних температурах, при випаровуванні. і на теплове розширення газів.
У своїх нарисах Далтон описав експерименти, в яких він намагався встановити тиск пари в різних точках від 0 до 100 ° C (32 і 212 ° F). Спираючись на свої спостереження за шістьма різними рідинами, Далтон дійшов висновку, що зміна тиску пари для всіх рідин рівнозначна, для однакових коливань температури та однакових парів будь-якого заданого тиску.
Він також зробив висновок, що всі еластичні рідини під одним тиском розширюються однаково під час подачі тепла. Далі він зауважив, що при будь-якому даному розширенні ртуті (тобто зазначається підвищення температури за допомогою ртутного термометра), що відповідне розширення повітря пропорційно менше, тим вище температура.
Це стало основою закону Далтона (ака. Закону парціального тиску Далтона), який зазначав, що в суміші газів, що не реагують, загальний тиск, що чиниться, дорівнює сумі парціальних тисків окремих газів.
Атомна теорія Далтона:
У ході цього дослідження газів Далтон також виявив, що певні гази можуть поєднуватися лише в певних пропорціях, навіть якщо дві різні сполуки поділяють один і той же загальний елемент або групу елементів.
Ці експерименти побудовані на двох теоріях, що з'явилися наприкінці 18 століття, які стосувалися хімічних реакцій. Першим був закон збереження маси, сформульований Антуаном Лавуазьє в 1789 р., Який стверджує, що загальна маса в хімічній реакції залишається постійною - тобто, що реактиви мають ту саму масу, що й продукти.
Другий - закон визначених пропорцій, вперше доведений французьким хіміком Джозефом Луї Прустом у 1799 р. У цьому законі зазначено, що якщо сполука розпадається на складові її елементи, то маса складових завжди матиме однакові пропорції, незалежно. кількості або джерела вихідної речовини.
Вивчаючи ці закони і спираючись на них, Далтон розробив свій закон множинних пропорцій. Цей закон говорить, що якщо два елементи можна об'єднати, щоб утворити ряд можливих сполук, то співвідношення мас другого елемента, що поєднуються з фіксованою масою першого елемента, будуть співвідношеннями невеликих цілих чисел.
Іншими словами, елементи поєднуються на атомному рівні у фіксованих співвідношеннях, які природно відрізняються залежно від сполук, що поєднуються, завдяки унікальній атомній вазі. Отримані результати стали основою атомних законів Дальтона або моделі, в якій зосереджена п'ять основних теорем. Т
Стан, що елементи у своєму найчистішому стані складаються з частинок, званих атомами; що атоми конкретного елемента однакові, аж до останнього атома; що атоми різних елементів можуть бути розрізнені за їх атомними вагами; що атоми елементів об'єднуються, утворюючи хімічні сполуки; і що атоми не можуть бути створені або знищені в хімічній реакції, тільки групування змінюється.
Далтон також вважав, що атомна теорія може пояснити, чому вода поглинає різні гази в різних пропорціях - наприклад, він виявив, що вода поглинає вуглекислий газ набагато краще, ніж він поглинає азот. Далтон висунув гіпотезу, що це було пов'язано з різницею в масі та складності частинок газів.
Насправді саме це спостереження вважається вперше, коли Далтон натякнув на передбачуване існування атомів. У статті, що стосувалася поглинання газу у воді, яка була вперше опублікована в 1805 році, він написав:
"Чому вода не визнає свою частину всіх видів газу однаково? Це питання я належним чином розглядав, і хоча я не в змозі задовольнити себе повністю, мене майже переконують, що обставина залежить від ваги та кількості кінцевих частинок кількох газів..”
Далтон запропонував, що кожен хімічний елемент складається з атомів єдиного унікального типу, і хоча вони не можуть бути змінені або знищені хімічними способами, вони можуть об'єднуватися, утворюючи більш складні структури (тобто хімічні сполуки). Це ознаменувало першу справді наукову теорію атома, оскільки Далтон дійшов своїх висновків шляхом експериментальних досліджень та вивчення результатів емпіричним шляхом.
Дальтон і атомні ваги:
Далтон також почав вивчати атомні ваги на основі масових співвідношень, в яких вони поєднувалися, атом водню, прийнятий за стандарт. Однак Далтон був обмежений грубістю своїх лабораторних приладів і тим, що він не здогадувався, що атоми певних елементів існують у молекулярній формі, наприклад, чистого кисню (O2).
Він також вважав, що найпростіша сполука між будь-якими двома елементами - це завжди один атом кожен. Це найкраще проілюстровано тим, як він вважав, що хімічна формула води - НО, а не Н2О.
У 1803 р. Далтон усно представив свій перший список відносних атомних ваг для ряду речовин. Цей документ був опублікований у 1805 році, але він там не обговорював, як саме він отримав ці цифри. У 1807 році його метод був розкритий його знайомим Томасом Томсоном у третьому виданні підручника Томсона, Система хімії. Нарешті, Далтон опублікував повний рахунок у власному підручнику, Нова система хімічної філософії, у 1808 та 1810 роках.
Наукові вади:
Основний недолік теорії Далтона - тобто існування молекул і атомів - пізніше було виправлено в 1811 році Амедео Авогадро. Авогадро запропонував, щоб однакові обсяги будь-яких двох газів при однаковій температурі та тиску містили рівну кількість молекул. Іншими словами, маса частинок газу не впливає на об'єм, який він займає.
Закон Авогадро дозволив йому вивести діатомічний характер численних газів, вивчаючи обсяги, на які вони реагували. Таким чином, Avogadro зміг запропонувати більш точні оцінки атомної маси кисню та різних інших елементів, і зробив чітке розмежування між молекулами та атомами. На жаль, ці та інші відкриття суперечать і вдосконалюють теорії Далтона.
Наприклад, вчені з тих пір виявили, що атом - колись вважався найменшою частиною речовини - насправді можна поділити на ще більш дрібні елементарні частинки. І тоді як Дальтон мислив атоми як єдине ціле, без поділу між позитивними, негативними та нейтральними зарядами, наступні експерименти Дж. Дж. Томсон, Ернест Резерфорд і Нілс Бор виявили більш складну структуру атома.
Ці теорії згодом були підтверджені спостереженнями, зробленими за допомогою електронного мікроскопа. Ми також знаємо, що атомна маса є продуктом структури самих атомів. Отже, атомна модель Далтона в найчистішому вигляді тепер вважається справедливою лише для хімічних реакцій. Однак це не зменшує внесок Далтона в сучасну науку.
До свого часу атом був трохи більше, ніж філософська конструкція, передана з класичної античності. Новаторська робота Далтона не лише зробила теорію реальністю, але й призвела до багатьох інших відкриттів, таких як теорія відносності Ейнштейна та квантова теорія Планка - дві галузі дослідження, які складають основу сучасного розуміння космосу.
Ми написали багато цікавих статей про атомну теорію тут у Space Magazine. Ось один про кількість атомів у Всесвіті, що є частинами атома? Хто був Демокритом ?, Атомна модель Бора та що таке модель пудингових сливок?
Якщо ви хочете дізнатися більше про модель Далтона, ознайомтеся зі статтею університету Центрального Квінсленда про атомну модель Далтона.
Астрономічний ролик записав багато цікавих епізодів на цю тему. Перевірте їх - Епізод 138: Квантова механіка, Епізод 378: Резерфорд та Атоми та Епізод 392: Стандартна модель - Вступ.
