„Atomelmélet” változatai közötti eltérés

[[File:Helium atom QM.svg|right|thumb|200px|Az atom jelenlegi modellje. Középen egy sűrű [[atommag]], elektronfelhővel körbevéve]]

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 GörögországbanGörögország]]ban, 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'' elnevezés az [[Ógörög nyelv|ógörög]] ''atomosz'' szóból származik, jelentése "oszthatatlan". A 19. századi kémikusok kezdték el használni a kifejezést az egyre növekvő számú, tovább nem bontható [[kémiai elemekkelelem]]ekkel kapcsolatban. Habár a 20. század kezdetén az elektromágnesességet[[elektromágnesesség]]et és radioaktivitást[[radioaktivitás]]t kutatók rájöttek, hogy az úgynevezett "oszthatatlan atom" valójában különböző [[Szubatomi részecske|szubatomi részecskék]] (legfőképpen protonok[[proton]]ok, elektronok[[elektron]]ok és neutronok[[neutron]]ok) halmaza, melyek egymástól elkülönítve is létezhetnek. Igazából bizonyos extrém körülmények között, mint például neutroncsillagokban[[neutroncsillag]]okban, ahol a rendkívüli [[hőmérséklet]] és [[nyomás]] alatt egyáltalán nem létezhetnek atomok. A tudósok később ezeket nevezték el ''elemi részecskék''nek, és aztőket nyilvánították oszthatatlannak, és bár nem elpusztíthatatlanok, részei az atomnak. A szubatomi részecskékkel foglalkozó tudományág a [[részecskefizika]], ahol a tudósok a természet legalapvetőbb alkotóit kutatják.

Az ötlet, hogy az anyag nagyon kis egységekből épül fel, már több ókori kultúrában is felvetődött, így Görögországban[[Görögország]]ban és [[India|Indiában]]. Ezek viszont sokkal inkább filozófiai[[filozófia]]i és teológiai[[teológia]]i érveléseken 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.

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).<br/>

[[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)-oxid|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 oxigénatommal 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. És valóban, 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 meg 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 atomtömegérőlatomtömeg]]éről. 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[[hidrogén]]atomot véve egységnyinek. Azzal viszont nem számolt, hogy bizonyos elemek csak [[Molekula|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.

Dalton elvének hibáit [[Amedeo Avogadro]] javította ki 1811-ben. Avogadro azt állította, hogy bármely két gázban, melyek térfogata[[térfogat]]a, nyomása[[nyomás]]a és hőmérséklete[[hőmérséklet]]e is megegyezik, azonos számú molekula található meg (más szavakkal, a gáz részecskéi nem befolyásolják a térfogatot, melyet a gáz elfoglal). Ezzel a törvénnyel már rá tudott bukkanni számos kétatomos gáz szerkezetére azzal, hogy megmérte a térfogatot, amelyen reakcióba vitte őket. Például ha két2 literdm³ hidrogén egy1 literdm³ oxigénnel reagál, és ekkor 2 literdm³ vízgőz keletkezik, akkor arra következtethetünk, hogy az oxigénmolekulák kettéváltak, és így lett belőlük két vízmolekula. Ennélfogva Avogadro az oxigén, és több másik elem atomtömegét is jóval pontosabban meg tudta becsülni, és az atomok és molekulák közti különbséget is tisztábban fel tudta vázolni.

[[Fájl:JJ Thomson Cathode Ray 2 explained.svg|bélyegkép|jobbra|A katódsugarakat (kék) kibocsátja a katód, a rések sugárnyalábbá alakítják, majd meghajlik, ahogy két elektromosított lemezenlemez közt átmegy.]]

Egészen 1897-ig az atomokat gondolták a legkisebb létező részecskéknek, amikor is [[Joseph John Thomson|J.J. Thomson]] katódsugarakkal felfedezte az elektront[[elektron]]t.

A Crookes-cső egy zárt üvegedény, melyben a két [[elektród]] vákuummal[[vákuum]]mal van elválasztva egymástól. Katódsugarak keletkeznek, ha [[feszültség]] megy végig az elektródokon, ezek pedig világító foltot hagynak, ahogy hozzáütköznek az üveghez a cső másik végén. Kísérleti úton Thomson rájött, hogy ezeket a sugarakat egy [[elektromos mező]] eltérítheti (a [[mágneses mezőnmező]]n kívül, mely akkor már ismert volt). Azt állította, hogy ezek a sugarak nagyon könnyű, negatív töltésű részecskékből állnak, melyeknek a "testecske" nevet adta (ezt később más tudósok átnevezték elektronnak). Megállapította azt is, hogy mintegy 1800-szor kisebb a hidrogénnél, a legkisebb atomnál. Ezek a testecskék minden addig ismert részecskénél apróbbak voltak.

Thomson úgy vélte, hogy az atomok igenis felbonthatók, és a testecskék annak építőkövei. Az atomok semleges töltését azzal magyarázta, hogy ezek a testecskék egy pozitív töltésű "masszában" vannak; ez volt az ún. mazsolás puding modell, mivel az elektronok úgy voltak beágyazódva a pozitív töltésbe, ahogy a mazsolák a mazsolás[[karácsonyi pudingbapuding]]ba (habár Thomson modelljében nem voltak helyhez kötve).

Thomson mazsolás puding elméletét egy korábbi diákja, [[Ernest Rutherford]] cáfolta meg 1909-ben, aki megállapította, hogy a tömeg nagy része és a pozitív töltés egésze az atom kellős közepén koncentrálódik, egy parányi kis pontban.

A Geiger-Marsden kísérletben Hans Geiger és Ernest Marsden (Rutherford rendelkezése alatt álló munkatársai) [[Alfa-részecske|alfa-részecskéket]] lőttek keresztül egy vékony fémlapon, majd fluoreszkáló képernyő használatával megvizsgálták azok elhajlását. Az elektronok kis tömegéből, az alfa-részecskék nagy lendületéből és a mazsolás puding modellben kis koncentrációt képviselő pozitív töltésből arra következtettek, hogy a részecskék mindegyike áthatol a fémlapon csekély elhajlással. Meglepődésükre az alfa-részecskék egy része igen jelentős elhajlást mutatott. Rutherford arra következtetett, hogy az atom összes pozitív töltésének egy parányi térfogatrészben kell összpontosulnia, hogy olyan elektromos teret hozhasson létre, mely ilyen erősen elhajlítja az alfa-sugarakat.