Atomelmélet

A kémiában és a fizikában az atomelmélet azt tárgyalja, hogy az idők során hogy változtak az atom megértésével kapcsolatos teóriák. Egy időben úgy gondolták, az atom az anyag legkisebb építőköve. Egy filozófiai elgondolásból indult az ókori Görögországban, mely a kora 19. században teljesedett ki a tudományok körében, amikor is a kémia területén végzett kutatások bebizonyították, hogy az anyag valóban úgy viselkedik, mintha atomok építenék fel.

Az atom jelenlegi modellje. Középen egy sűrű atommag, elektronfelhővel körbevéve

Az atom elnevezés az ógörög atomosz szóból származik, jelentése "oszthatatlan". A 19. századi kémikusok kezdték el használni a kifejezést az egyre növekvő számú, tovább nem bontható kémiai elemekkel kapcsolatban. Habár a 20. század kezdetén az elektromágnesességet és radioaktivitást kutatók rájöttek, hogy az úgynevezett "oszthatatlan atom" valójában különböző szubatomi részecskék (legfőképpen protonok, elektronok és neutronok) halmaza, melyek egymástól elkülönítve is létezhetnek. Igazából bizonyos extrém körülmények között, mint például neutroncsillagokban, ahol a rendkívüli hőmérséklet és nyomás alatt egyáltalán nem létezhetnek atomok. A tudósok később ezeket nevezték el elemi részecskéknek, és azt nyilvánították oszthatatlannak, és bár nem elpusztíthatatlanok, részei az atomnak. A szubatomi részecskékkel foglalkozó tudományág a részecskefizika, ahol a tudósok a természet legalapvetőbb alkotóit kutatják.

Történet

Filozófiai atomizmus

Az ötlet, hogy az anyag nagyon kis egységekből épül fel, már több ókori kultúrában is felvetődött, így Görögországban és Indiában. Ezek viszont sokkal inkább filozófiai és teológiai érvelésen alapultak, mintsem bizonyítékokon és kísérleteken. Éppen emiatt nem győzött meg mindenkit, így az atomizmus csak egy volt a számos természeti-anyagi összefüggést bizonyítani próbáló elmélet közül. Egészen a 19. századig feledésbe merült a teória, akkor viszont a tudományos, kémiai felfedezéseknek köszönhetően beigazolódni látszott.

Dalton

A 18. század vége felé két, atomi elméletre nem utaló elmélet született. Az első volt a tömegmegmaradás törvénye, melyet Antoine Lavoisier dolgozott ki 1789-ben. Ez azt állította, hogy az össztömeg egy kémiai reakcióban állandó marad (tehát a reagensek tömege megegyezik a termékekével).
A másik volt az állandó tömegarányok törvénye, melyet először Joseph Louis Proust francia kémikus bizonyított 1799-ben. A törvény alapján ha egy vegyületet elemeire bontunk, alkotórészei tömegének aránya ugyanannyi marad, függetlenül a kiindulási anyag mennyiségétől.

John Dalton az utóbbi munkákat tanulmányozva és bővítve alkotta meg a többszörös tömegarányok törvényét: Ha két elem egymással többféle vegyületet is alkothat, akkor ha az egyik elem meghatározott tömegű másik elemmel vegyül, a tömegek aránya egész számok hányadosa lesz. Proust például az ón-oxidokat vizsgálva azt vette észre, hogy az egyik ón-oxid összetétele 88,1% ón és 11,9% oxigén, a másiké viszont 78,7% ón és 21,3% oxigén (nevezetesen az ón(II)- és ón(IV)-oxid volt ez a két anyag). Dalton ezekből a százalékokból azt a következtetést vonta le, hogy 100 gramm ón 13,5 vagy 27 gramm oxigénnel tud egyesülni; a 13,5 és a 27 aránya pedig pont 1:2. Úgy találta, hogy az atomelmélettel tökéletesen magyarázható a kémia rendje. Proust kísérletei esetén 1 ónatom 1 vagy 2 oxigénnel is alkothat vegyületet.

Dalton az atomelmélettel magyarázta azt a jelenséget is, hogy a víz különböző gázokat eltérő mértékben tud megkötni – a szén-dioxid például sokkal jobban oldódik vízben, mint a nitrogén. Dalton hipotézise szerint ez a gázok eltérő tömegének és az azt felépítő részecskék összetettségének tulajdonítható. Valójában a CO₂ molekulák jóval nagyobb méretűek és tömegűek a N₂ molekuláknál.

Dalton elmélete volt az is, hogy minden elem sajátos összetételű atomokból épül fel, és bár ezek kémiai úton nem változtathatók és nem pusztíthatók el, egymással kombinálhatók és ezzel bonyolultabb struktúrák hozhatók létre (vegyületek). Ez volt az első tudományos magyarázat az atomok létezésére, mivel Dalton minden következtetésére kísérletezéssel és vizsgálatokkal jutott.

1803-ban Dalton szóban mutatta be első listáját számos anyag relatív atomtömegéről. Az iratot 1805-ben publikálta, de nem vezette le pontosan számításainak menetét. Azokat 1807-ben egy ismerőse, Thomas Thomson tárta fel A kémia szisztémája című könyvének harmadik kiadásában. Végül Dalton is leírta azokat teljes mértékben A kémiai filozófia egy új szisztémája c. könyvében 1808-ban és 1810-ben.

Az atomtömegeket Dalton az alkotott vegyületekben a tömegarányokhoz igazodva határozta meg, a hidrogénatomot véve egységnyinek. Azzal viszont nem számolt, hogy bizonyos elemek csak molekulákban léteznek – pl. a tiszta oxigén kétatomos O₂ molekulákként fordul elő. Emellett tévesen azt gondolta, hogy egy adott vegyületben egyféle atom csak egyszer szerepelhet (a vizet HO-nak gondolta, nem H₂O-nak). Felszerelésének kezdetlegessége mellett ez is ronthatott eredményeinek pontosságán. 1803-ban az oxigént 5,5-ször nehezebbnek mérte a hidrogénnél, mert a vízben 5,5 gramm oxigén jut 1 gramm hidrogénre a HO képlet alapján. 1806-ban jobb adatot mért, azt állította, hogy valójában 7-nek kell lennie, mintsem 5,5-nek, és ezt a tömeget vélte valósnak élete végéig. Mások akkoriban úgy mérték, hogy ha a hidrogén tömege 1, az oxigénének 8-nak kell lenni; bár akkor még mindenki a Dalton-féle HO képletet használta, nem is feltételezték a H₂O lehetőségét.