Атомная теория, то есть вера в то, что вся материя состоит из крошечных неделимых элементов, имеет очень глубокие корни. Тем не менее, он не был принят с научной точки зрения до 19-го века, когда основанный на фактических данных подход начал раскрывать, как выглядит атомная модель.
Именно в это время Джон Далтон, английский химик, метеоролог и физик, начал серию экспериментов, кульминацией которых стал он, предложив теорию атомных составов - которая впоследствии будет известна как Атомная теория Далтона - которая станет одной из краеугольные камни современной физики и химии.
Помимо создания модели взаимодействия атомов, Джону Далтону также приписывают разработку законов для понимания работы газов. Со временем это привело бы его к выводам о том, как взаимодействуют атомы, весу атомов, и к разработке законов, которые устанавливают атомную теорию как научную дисциплину.
Закон о газе Далтона:
Далтон выдвинул свою теорию атомов в результате своих исследований газов. Это началось в 1800 году, когда Далтон стал секретарем Манчестерского литературно-философского общества. Находясь там, Далтон начал представлять серию очерков, в которых изложены его эксперименты по составу смешанных газов, включая давление пара и других паров при различных температурах, при испарении. и о тепловом расширении газов.
В своих эссе Далтон описал эксперименты, в которых он пытался определить давление пара в различных точках между 0 и 100 ° C (32 и 212 ° F). Основываясь на своих наблюдениях за шестью различными жидкостями, Далтон пришел к выводу, что изменение давления паров для всех жидкостей было эквивалентным при одинаковом изменении температуры и одинаковых паров любого заданного давления.
Он также пришел к выводу, что все упругие жидкости под одинаковым давлением расширяются одинаково при нагревании. Кроме того, он заметил, что для любого данного расширения ртути (то есть отмеченного повышения температуры с использованием ртутного термометра), что соответствующее расширение воздуха пропорционально меньше, чем выше температура идет.
Это стало основанием закона Дальтона (он же закон парциальных давлений Дальтона), который гласил, что в смеси не вступающих в реакцию газов общее давление равно сумме парциальных давлений отдельных газов.
Атомная теория Далтона:
В ходе этого исследования газов Дальтон также обнаружил, что некоторые газы могут быть объединены только в определенных пропорциях, даже если два разных соединения имеют один и тот же общий элемент или группу элементов.
Эти эксперименты основывались на двух теориях, появившихся в конце 18-го века, которые касались химических реакций. Первым был закон сохранения массы, сформулированный Антуаном Лавуазье в 1789 году, который гласит, что общая масса в химической реакции остается постоянной - то есть, что реагенты имеют ту же массу, что и продукты.
Вторым был закон определенных пропорций, впервые доказанный французским химиком Жозефом Луи Прустом в 1799 году. Этот закон гласит, что если соединение разбивается на составляющие его элементы, то массы составляющих всегда будут иметь одинаковые пропорции, независимо от того, количества или источника исходного вещества.
Изучая эти законы и опираясь на них, Далтон разработал свой закон множественных пропорций. Этот закон гласит, что если два элемента могут быть объединены для образования ряда возможных соединений, то соотношения масс второго элемента, которые объединяются с фиксированной массой первого элемента, будут соотношениями небольших целых чисел.
Другими словами, элементы объединяются на атомном уровне в фиксированных соотношениях, которые, естественно, различаются в зависимости от комбинируемых соединений из-за их уникальных атомных весов. Полученные данные стали основой атомных законов или моделей Далтона, которые сосредоточены на пяти основных теоремах. T
Состояние, в котором элементы в чистом виде состоят из частиц, называемых атомами; что атомы определенного элемента все одинаковы, вплоть до самого последнего атома; что атомы разных элементов могут отличаться по их атомному весу; атомы элементов объединяются в химические соединения; и что атомы не могут быть ни созданы, ни разрушены в химической реакции, меняется только группировка.
Далтон также полагал, что атомная теория может объяснить, почему вода поглощает разные газы в разных пропорциях - например, он обнаружил, что вода поглощала углекислый газ гораздо лучше, чем она поглощала азот. Дальтон предположил, что это было связано с различиями в массе и сложности соответствующих частиц газов.
Фактически, именно это наблюдение, как полагают, было первым разом, когда Далтон намекнул на предполагаемое существование атомов. В статье, посвященной поглощению газа в воде, которая была впервые опубликована в 1805 году, он написал:
«Почему вода не впитывает в себя столько газа? Этот вопрос я должным образом рассмотрел, и, хотя я не в состоянии полностью удовлетворить себя, я почти убежден, что обстоятельства зависят от веса и количества конечных частиц нескольких газов..”
Дальтон предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов одного, уникального типа, и хотя они не могут быть изменены или уничтожены химическими средствами, они могут объединяться, образуя более сложные структуры (т.е. химические соединения). Это ознаменовало первую действительно научную теорию атома, так как Дальтон пришел к своим выводам, экспериментируя и изучая результаты эмпирическим путем.
Дальтон и атомные веса:
Далтон также начал изучать атомные веса, основываясь на массовых соотношениях, в которых они были объединены, с атомом водорода, принятым в качестве стандарта. Однако Далтон был ограничен грубостью своих лабораторных инструментов и тем фактом, что он не предполагал, что атомы определенных элементов существуют в молекулярной форме, такой как чистый кислород (O2).
Он также полагал, что самым простым соединением между любыми двумя элементами всегда является один атом каждый. Это лучше всего проиллюстрировано тем, как он думал, что химическая формула для воды - это НО, а не Н2О.
В 1803 году Далтон в устной форме представил свой первый список относительных атомных весов для ряда веществ. Эта статья была опубликована в 1805 году, но он не обсуждал там, как именно он получил эти цифры. В 1807 году его метод был раскрыт его знакомым Томасом Томсоном в третьем издании учебника Томсона: Система химии, Наконец, Далтон опубликовал полный отчет в своем собственном учебнике, Новая система химической философиив 1808 и 1810 гг.
Научные недостатки:
Основной недостаток теории Далтона - то есть существование молекул и атомов - был позже исправлен в принципе в 1811 году Амедео Авогадро. Авогадро предположил, что равные объемы любых двух газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул. Другими словами, масса частиц газа не влияет на объем, который он занимает.
Закон Авогадро позволил ему определить двухатомную природу многих газов, изучая объемы, на которые они реагировали. Таким образом, Авогадро смог предложить более точные оценки атомной массы кислорода и различных других элементов и провел четкое различие между молекулами и атомами. Увы, эти и другие открытия противоречили и уточняли теории Далтона.
Например, с тех пор ученые обнаружили, что атом, который когда-то считался самой маленькой частью материи, на самом деле можно подразделить на еще более мелкие элементарные частицы. И в то время как Далтон задумывался как атомы как единое целое без разделения между положительными, отрицательными и нейтральными зарядами, последующие эксперименты J.J. Томсон, Эрнест Резерфорд и Нилс Бор открыли атому более сложную структуру.
Эти теории были позже подтверждены наблюдениями, сделанными с помощью электронного микроскопа. Мы также знаем, что атомный вес является продуктом структуры самих атомов. Следовательно, атомная модель Далтона, в ее самой чистой форме, теперь считается действительной только для химических реакций. Однако это не умаляет вклада Далтона в современную науку.
До его времени атом был не более чем философской конструкцией, переданной из классической древности. Новаторская работа Далтона не только сделала теорию реальностью, но и привела ко многим другим открытиям, таким как теория относительности Эйнштейна и квантовая теория Планка - две области исследования, которые составляют основу нашего современного понимания космоса.
Мы написали много интересных статей об атомной теории здесь, в журнале Space. Вот одно из числа атомов во Вселенной, каковы части атома? Кто был Демокрит ?, Модель атома Бора и Что такое модель сливового пудинга?
Если вы хотите узнать больше о модели Далтона, ознакомьтесь со статьей Центрального университета Квинсленда об атомной модели Далтона.
Astronomy Cast записал много интересных эпизодов на эту тему. Проверьте их - Эпизод 138: Квантовая механика, Эпизод 378: Резерфорд и Атомы и Эпизод 392: Стандартная модель - Вступление.
