Seit es zum ersten Mal vorgeschlagen wurde von Demokrit im 5. Jahrhundert v. u. Z. hat das Atommodell in den letzten paar tausend Jahren mehrere Verfeinerungen erfahren. Aus seinen bescheidenen Anfängen als inerter, unteilbarer Festkörper, der mechanisch mit anderen Atomen wechselwirkt, haben laufende Forschungen und verbesserte Methoden Wissenschaftler zu dem Schluss geführt, dass Atome tatsächlich aus noch kleineren Teilchen bestehen, die elektromagnetisch miteinander interagieren.
Dies war die Grundlage der Atomtheorie des englischen Physikers J.J. Thompson im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert. Als Teil der damals stattfindenden Revolution schlug Thompson ein Atommodell vor, das aus mehr als einer Grundeinheit bestand. Aufgrund seines Aussehens, das aus einem „Meer einheitlicher positiver Ladung“ mit darin verteilten Elektronen bestand, erhielt Thompsons Modell den Spitznamen „Plum Pudding-Modell“.
Obwohl das Plum-Pudding-Modell nach modernen Maßstäben nicht mehr existiert, stellt es einen wichtigen Schritt in der Entwicklung der Atomtheorie dar. Es beinhaltete nicht nur neue Entdeckungen wie die Existenz des Elektrons, sondern führte auch den Begriff des Atoms als nicht inerte, teilbare Masse ein. Fortan würden Wissenschaftler verstehen, dass Atome selbst aus kleineren Materieeinheiten bestehen und dass alle Atome durch viele verschiedene Kräfte miteinander wechselwirken.
Atomtheorie bis ins 19. Jahrhundert:
Die frühesten bekannten Beispiele der Atomtheorie stammen aus dem antiken Griechenland und Indien, wo Philosophen wie Demokrit postulierten, dass alle Materie aus winzigen, unteilbaren und unzerstörbaren Einheiten besteht. Der Begriff „Atom“ wurde im antiken Griechenland geprägt und führte zur Denkschule, die als „Atomismus“ bekannt ist. Diese Theorie war jedoch eher ein philosophisches als ein wissenschaftliches Konzept.
Verschiedene Atome und Moleküle, wie sie in John Daltons A New System of Chemical Philosophy (1808) dargestellt sind. Kredit: Gemeinfrei
Erst im 19. Jahrhundert wurde die Atomtheorie als wissenschaftliches Thema artikuliert und die ersten evidenzbasierten Experimente durchgeführt. Zum Beispiel verwendete der englische Wissenschaftler John Dalton Anfang des 19. Jahrhunderts das Konzept des Atoms, um zu erklären, warum chemische Elemente auf bestimmte beobachtbare und vorhersagbare Weise reagierten.
Dalton begann mit der Frage, warum Elemente in Verhältnissen kleiner ganzer Zahlen reagierten und kam zu dem Schluss, dass diese Reaktionen in ganzzahligen Vielfachen diskreter Einheiten – also Atomen – ablaufen. Durch eine Reihe von Experimenten mit Gasen entwickelte Dalton das so genannte Daltons Atomtheorie . Diese Theorie erweiterte die Konversationsgesetze von Masse und bestimmten Proportionen – formuliert bis zum Ende des 18. Jahrhunderts – und bleibt einer der Eckpfeiler der modernen Physik und Chemie.
Die Theorie beruht auf fünf Prämissen: Elemente bestehen in ihrem reinsten Zustand aus Teilchen, die Atome genannt werden; Atome eines bestimmten Elements sind bis auf das letzte Atom alle gleich; Atome verschiedener Elemente können durch ihr Atomgewicht unterschieden werden; Atome von Elementen vereinigen sich, um chemische Verbindungen zu bilden; Atome können in chemischen Reaktionen weder erzeugt noch zerstört werden, nur die Gruppierung ändert sich ständig.
Ende des 19. Jahrhunderts begannen Wissenschaftler auch zu theoretisieren, dass das Atom aus mehr als einer fundamentalen Einheit besteht. Die meisten Wissenschaftler wagten jedoch, dass diese Einheit die Größe des kleinsten bekannten Atoms hat – Wasserstoff. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts sollte sich die Situation drastisch ändern.
Seitenansicht einer Art Crookes-Rohr mit stehendem Kreuz. Bildnachweis: Wikimedia Commons/D-Kuru
Thompsons Experimente:
Sir Joseph John Thomson (alias J.J. Thompson) war ein englischer Physiker und ab 1884 Cavendish Professor of Physics an der University of Cambridge. Während der 1880er und 1890er Jahre drehte sich seine Arbeit hauptsächlich um die Entwicklung mathematischer Modelle für chemische Prozesse, die mathematische und theoretische Energieumwandlung und den Elektromagnetismus.
In den späten 1890er Jahren begann er jedoch mit der Durchführung von Experimenten mit einer Kathodenstrahlröhre, die als bekannt ist Gauner-Röhre . Dieser besteht aus einem verschlossenen Glasbehälter mit zwei Elektroden, die durch ein Vakuum getrennt sind. Wenn an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, werden Kathodenstrahlen erzeugt (die die Form eines glühenden Gasflecks annehmen, der sich bis zum anderen Ende der Röhre erstreckt).
Durch Experimente beobachtete Thomson, dass diese Strahlen durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden konnten. Er kam zu dem Schluss, dass sie nicht aus Licht, sondern aus negativ geladenen Teilchen bestehen, die er „Korpuskel“ nennt. Bei der Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses dieser Teilchen stellte er fest, dass sie 1ooo mal kleiner und 1800 mal leichter als Wasserstoff waren.
Dies widerlegte effektiv die Vorstellung, dass das Wasserstoffatom die kleinste Einheit der Materie sei, und Thompson ging noch weiter und schlug vor, dass Atome teilbar seien. Um die Gesamtladung des Atoms, die sowohl aus positiven als auch aus negativen Ladungen besteht, zu erklären, schlug Thompson ein Modell vor, bei dem die negativ geladenen Teilchen in einem einheitlichen Meer positiver Ladung verteilt sind.
Eine Darstellung der atomaren Struktur des Heliumatoms. Bildnachweis: Creative Commons
Diese Korpuskeln wurden später „Elektronen“ genannt, basierend auf dem theoretischen Teilchen, das 1874 vom anglo-irischen Physiker George Johnstone Stoney vorhergesagt wurde Pflaumenkuchen und Rosinen. Das Konzept wurde der Welt in der Ausgabe der britischen Ausgabe vom März 1904 vorgestellt Philosophisches Magazin ,zu breitem Beifall.
Probleme mit dem Pflaumenpudding-Modell:
Leider zeigten spätere Experimente eine Reihe von wissenschaftlichen Problemen mit dem Modell. Zunächst stellte sich das Problem des Nachweises einer einheitlichen positiven Hintergrundladung des Atoms, das als „Thomson-Problem“ bekannt wurde. Fünf Jahre später wurde das Modell von Hans Geiger und Ernest Marsden widerlegt, die eine Reihe von Experimenten mit Alphateilchen und Goldfolie durchführten.
In dem, was später als „ Goldfolienexperiment “, haben sie das Streumuster der Alphateilchen mit einem Leuchtschirm gemessen. Wenn Thomsons Modell richtig wäre, würden die Alphateilchen die atomare Struktur der Folie ungehindert passieren. Sie stellten jedoch stattdessen fest, dass die meisten zwar direkt durchschossen, einige von ihnen jedoch in verschiedene Richtungen verstreut waren, während andere in Richtung der Quelle zurückgingen.
Geiger und Marsden kamen zu dem Schluss, dass die Partikel einer elektrostatischen Kraft ausgesetzt waren, die weitaus größer war als die von Thomsons Modell zulässt. Da Alphateilchen nur Heliumkerne sind (die positiv geladen sind), implizierte dies, dass die positive Ladung im Atom nicht weit gestreut, sondern auf ein winziges Volumen konzentriert war. Darüber hinaus bedeutete die Tatsache, dass die Teilchen, die nicht abgelenkt wurden, ungehindert hindurchtraten, dass diese positiven Räume durch riesige Kluften des leeren Raums getrennt waren.
Die erwarteten Ergebnisse des Gieger-Marsden-Experiments (links) und die tatsächlichen Ergebnisse (rechts). Bildnachweis: Wikimedia Commons/Kurzon
.
1911 interpretierte der Physiker Ernest Rutherford die Geiger-Marsden-Experimente und lehnte Thomsons Atommodell ab. Stattdessen schlug er ein Modell vor, bei dem das Atom größtenteils aus leerem Raum besteht, wobei seine gesamte positive Ladung in seinem Zentrum in einem sehr kleinen Volumen konzentriert ist, das von einer Elektronenwolke umgeben ist. Dies wurde als das bekannt Rutherford-Modell des Atoms.
Nachfolgende Experimente von Antonius Van den Broek und Neils Bohr verfeinerten das Modell weiter. Während Van den Broek vorschlug, dass die Ordnungszahl eines Elements seiner Kernladung sehr ähnlich ist, schlug letzterer ein Sonnensystem-ähnliches Modell des Atoms vor, bei dem ein Kern die Ordnungszahl der positiven Ladung enthält und von einer gleichen umgeben ist Anzahl der Elektronen in Orbitalschalen (auch bekannt als die Bohr-Modell ).
Obwohl es in nur fünf Jahren diskreditiert sein würde, sollte sich Thomsons „Plum Pudding Model“ als entscheidender Schritt in der Entwicklung des Standardmodell der Teilchenphysik. Seine Arbeit zur Bestimmung der Teilbarkeit von Atomen sowie die Existenz elektromagnetischer Kräfte innerhalb des Atoms sollten sich auch als großer Einfluss auf das Gebiet der Quantenphysik erweisen.
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel zum Thema Atomtheorie geschrieben. Hier zum Beispiel Wie viele Atome gibt es im Universum? , John Daltons Atommodell , Was sind die Teile des Atoms? , Bohrs Atommodell ,
Weitere Informationen finden Sie auf den Seiten von Physic's Worlds auf 100 Jahre Elektron: Von der Entdeckung bis zur Anwendung und Protonen- und Neutronenmassen berechnet nach den ersten Prinzipien
Astronomy Cast hat auch einige Episoden zu diesem Thema: Folge 138: Quantenmechanik , Folge 139: Energieniveaus und Spektren, Folge 378: Rutherford und Atoms und Episode 392: Das Standardmodell – Intro .
