Die Atomtheorie – also der Glaube, dass alle Materie aus winzigen, unteilbaren Elementen besteht – hat sehr tiefe Wurzeln. Ursprünglich tauchte die Theorie vor Tausenden von Jahren in griechischen und indischen Texten als philosophische Idee auf. Es wurde jedoch erst im 19. Jahrhundert wissenschaftlich angenommen, als ein evidenzbasierter Ansatz begann, zu enthüllen, wie das Atommodell aussah.
Zu dieser Zeit begann John Dalton, ein englischer Chemiker, Meteorologe und Physiker, eine Reihe von Experimenten, die darin gipfelten, dass er die Theorie der atomaren Zusammensetzungen vorschlug – die später als Daltons Atomtheorie bekannt wurde – die zu einer der Eckpfeiler der modernen Physik und Chemie.
Neben der Entwicklung eines Modells für atomare Wechselwirkungen wird John Dalton auch die Entwicklung von Gesetzen zum Verständnis der Funktionsweise von Gasen zugeschrieben. Mit der Zeit würde dies dazu führen, dass er Dinge über die Wechselwirkung von Atomen und das Gewicht von Atomen schlussfolgerte und Gesetze entwickelte, die die Atomtheorie als wissenschaftliche Disziplin etablieren.
Daltons Gasgesetze:
Dalton hat seine Atomtheorie als Ergebnis seiner Forschungen zu Gasen entwickelt. Dies begann im Jahr 1800, als Dalton Sekretär der Manchester Literary and Philosophical Society wurde. Dort begann Dalton, eine Reihe von Aufsätzen vorzulegen, die seine Experimente zur Konstitution von Mischgasen, einschließlich des Drucks von Dampf und anderen Dämpfen bei verschiedenen Temperaturen, bei der Verdampfung skizzierten. und über die Wärmeausdehnung von Gasen.
In seinen Essays beschrieb Dalton Experimente, in denen er versuchte, den Dampfdruck an verschiedenen Punkten zwischen 0 und 100 °C (32 und 212 °F) zu bestimmen. Basierend auf seinen Beobachtungen von sechs verschiedenen Flüssigkeiten kam Dalton zu dem Schluss, dass die Variation des Dampfdrucks für alle Flüssigkeiten äquivalent war, für dieselbe Temperaturänderung und denselben Dampf bei jedem gegebenen Druck.
Er kam auch zu dem Schluss, dass sich alle elastischen Flüssigkeiten unter gleichem Druck bei Wärmeeinwirkung gleich ausdehnen. Außerdem beobachtete er, dass für jede gegebene Quecksilberausdehnung (d. h. ein mit einem Quecksilberthermometer festgestellter Temperaturanstieg) die entsprechende Luftausdehnung proportional geringer ist, je höher die Temperatur ist.
Eine Darstellung der atomaren Struktur des Heliumatoms. Quelle: Wikipedia/Creative Commons
Dies wurde als Dalton-Gesetz (auch bekannt als Dalton-Gesetz der Partialdrücke) zugrunde gelegt, das besagte, dass in einem Gemisch nicht reagierender Gase der ausgeübte Gesamtdruck gleich der Summe der Partialdrücke der einzelnen Gase ist.
Daltons Atomtheorie:
Im Zuge dieser Gasforschung entdeckte Dalton auch, dass bestimmte Gase nur in bestimmten Anteilen kombiniert werden können, selbst wenn zwei verschiedene Verbindungen das gleiche gemeinsame Element oder die gleiche Elementgruppe teilen.
Diese Experimente bauten auf zwei Theorien auf, die gegen Ende des 18. Jahrhunderts aufgekommen waren und sich mit chemischen Reaktionen beschäftigten. Das erste war das Gesetz von Erhaltung der Masse , 1789 von Antoine Lavoisier formuliert, der besagt, dass die Gesamtmasse einer chemischen Reaktion konstant bleibt – d. h. dass die Reaktanten die gleiche Masse wie die Produkte haben.
Der zweite war der Gesetz von bestimmten Ausmaßen , erstmals nachgewiesen durch den französischen Chemiker Joseph Louis Proust im Jahr 1799. Dieses Gesetz besagt, dass, wenn eine Verbindung in ihre Bestandteile zerlegt wird, die Massen der Bestandteile immer die gleichen Anteile haben, unabhängig von der Menge oder Quelle des Originals Substanz.
Verschiedene Atome und Moleküle, wie sie in John Daltons A New System of Chemical Philosophy (1808) dargestellt sind. Kredit: Gemeinfrei
Dalton studierte diese Gesetze und baute darauf auf und entwickelte seine Gesetz von mehreren Proportionen . Dieses Gesetz besagt, dass, wenn zwei Elemente zu einer Anzahl möglicher Verbindungen kombiniert werden können, die Massenverhältnisse des zweiten Elements, die sich mit einer festen Masse des ersten Elements verbinden, Verhältnisse kleiner ganzer Zahlen sind.
Mit anderen Worten, Elemente verbinden sich auf atomarer Ebene in festen Verhältnissen, die sich aufgrund ihrer einzigartigen Atomgewichte natürlich je nach den zu kombinierenden Verbindungen unterscheiden. Die Ergebnisse wurden zur Grundlage von Daltons Atomgesetzen oder -modell, das sich auf fünf grundlegende Theoreme konzentriert. T
Der Zustand, dass Elemente in ihrem reinsten Zustand aus Teilchen bestehen, die Atome genannt werden; dass Atome eines bestimmten Elements bis auf das letzte Atom alle gleich sind; dass Atome verschiedener Elemente durch ihr Atomgewicht unterschieden werden können; dass sich Atome von Elementen zu chemischen Verbindungen vereinigen; und dass Atome in chemischen Reaktionen weder erzeugt noch zerstört werden können, nur die Gruppierung ändert sich ständig.
Dalton glaubte auch, dass die Atomtheorie erklären könnte, warum Wasser verschiedene Gase in unterschiedlichen Anteilen absorbiert – zum Beispiel fand er heraus, dass Wasser Kohlendioxid viel besser absorbiert als Stickstoff. Dalton vermutete, dass dies auf die Unterschiede in Masse und Komplexität der jeweiligen Partikel der Gase zurückzuführen war.
Daltons Atommodell, basierend auf den fünf Punkten seiner Atomtheorie. Bildnachweis: modernbiochemistry.weebly.com
Tatsächlich war es genau diese Beobachtung, von der angenommen wird, dass Dalton zum ersten Mal auf die angebliche Existenz von Atomen hinwies. In der 1805 erstmals veröffentlichten Abhandlung über die Gasabsorption in Wasser schrieb er:
„Warum lässt Wasser nicht den Großteil aller Gase gleichermaßen durch? Diese Frage habe ich gebührend bedacht, und obwohl ich mich nicht vollständig befriedigen kann, bin ich fast überzeugt, dass der Umstand von dem Gewicht und der Anzahl der letzten Teilchen der verschiedenen Gase abhängt. '
Dalton schlug vor, dass jedes chemische Element aus Atomen eines einzigen, einzigartigen Typs besteht, und obwohl sie mit chemischen Mitteln nicht verändert oder zerstört werden können, können sie sich zu komplexeren Strukturen (dh chemischen Verbindungen) verbinden. Dies war die erste wirklich wissenschaftliche Theorie des Atoms, da Dalton seine Schlussfolgerungen durch Experimente und Untersuchung der Ergebnisse auf empirische Weise zog.
Dalton und Atomgewichte:
Dalton's begann auch, Atomgewichte basierend auf den Massenverhältnissen zu untersuchen, in denen sie sich kombinierten, wobei das Wasserstoffatom als Standard genommen wurde. Dalton war jedoch durch die Grobheit seiner Laborinstrumente eingeschränkt und die Tatsache, dass er sich nicht vorstellen konnte, dass die Atome bestimmter Elemente in molekularer Form vorliegen, wie zum Beispiel reiner Sauerstoff (O2).
Er glaubte auch, dass die einfachste Verbindung zwischen zwei Elementen immer ein Atom ist. Dies wurde am besten dadurch veranschaulicht, wie er dachte, dass die chemische Formel für Wasser HO und nicht H . sei2ODER.
John Dalton, der Vater der modernen Atomtheorie. Bildnachweis: chemheritage.org
Im Jahr 1803 präsentierte Dalton mündlich seine erste Liste der relativen Atomgewichte für eine Reihe von Substanzen. Dieses Papier wurde 1805 veröffentlicht, aber er erörterte dort nicht genau, wie er diese Zahlen erhielt. Im Jahr 1807 wurde seine Methode von seinem Bekannten Thomas Thomson in der dritten Auflage von Thomsons Lehrbuch enthüllt.Ein System der Chemie. Schließlich veröffentlichte Dalton einen vollständigen Bericht in seinem eigenen Lehrbuch,Ein neues System der chemischen Philosophie, 1808 und 1810.
Wissenschaftliche Mängel:
Der Hauptfehler in Daltons Theorie – also die Existenz sowohl von Molekülen als auch von Atomen – wurde später im Jahr 1811 von Amedeo Avogadro grundsätzlich korrigiert. Avogadro schlug vor, dass gleiche Volumina von zwei beliebigen Gasen bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten. Mit anderen Worten, die Masse der Partikel eines Gases hat keinen Einfluss auf das Volumen, das es einnimmt.
Avogadros Gesetz ermöglichte es ihm, die zweiatomige Natur zahlreicher Gase abzuleiten, indem er die Volumina untersuchte, bei denen sie reagierten. So konnte Avogadro genauere Schätzungen der Atommasse von Sauerstoff und verschiedenen anderen Elementen anbieten und unterschied klar zwischen Molekülen und Atomen. Leider widersprachen diese und andere Entdeckungen Daltons Theorien und verfeinerten sie.
Wissenschaftler haben zum Beispiel inzwischen entdeckt, dass sich das Atom – einst als kleinster Teil der Materie galt – tatsächlich in noch kleinere Elementarteilchen unterteilen lässt. Und während Dalton sich Atome als eine einzelne Einheit ohne Trennung zwischen positiven, negativen und neutralen Ladungen vorstellte, wurden nachfolgende Experimente von J. J. Thomson , Ernest Rutherford, und Neils Bohr offenbarte dem Atom eine komplexere Struktur.
Neils Bohrs Modell ein Stickstoffatom. Bildnachweis: britannica.com
Diese Theorien wurden später durch Beobachtungen mit dem Elektronenmikroskop bestätigt. Wir wissen auch, dass das Atomgewicht ein Produkt der Struktur der Atome selbst ist. Daher gilt das Atommodell von Dalton in seiner reinsten Form nur noch für chemische Reaktionen. Dies schmälert jedoch nicht Daltons Beitrag zur modernen Wissenschaft.
Vor seiner Zeit war das Atom kaum mehr als ein philosophisches Konstrukt, das aus der Antike überliefert wurde. Daltons bahnbrechende Arbeit ließ die Theorie nicht nur Wirklichkeit werden, sondern führte zu vielen anderen Entdeckungen, wie z Einsteins Relativitätstheorie und Plancks Quantentheorie – zwei Studienrichtungen, die die Grundlage unseres modernen Verständnisses des Kosmos bilden.
Wir haben hier bei Universe heute viele interessante Artikel über Atomtheorie geschrieben. Hier ist eine über die Anzahl der Atome im Universum , Was sind die Teile des Atoms? , Wer war Demokrit? , Bohrs Atommodell , und Was ist das Pflaumenpudding-Modell?
Wenn Sie mehr über Daltons Modell erfahren möchten, lesen Sie den Artikel der Central Queensland University über Daltons Atommodell .
Astronomy Cast hat viele interessante Episoden zu diesem Thema aufgenommen. Schau sie dir an - Folge 138: Quantenmechanik , Folge 378: Rutherford und Atoms , und Episode 392: Das Standardmodell – Intro .
