Ατομική θεωρία

Ο Δημόκριτος πίστευε ότι αν κόβεις κάτι στη μέση ξανά και ξανά, θα πρέπει τελικά να σταματήσεις. Είπε ότι αυτό το τελευταίο κομμάτι της ύλης δεν μπορούσε να κοπεί μικρότερο. Ο Δημόκριτος ονόμασε αυτά τα μικρά κομμάτια ύλης άτομα, που σημαίνει "αδιαίρετα". Πίστευε ότι τα άτομα θα διαρκούσαν για πάντα, δεν θα άλλαζαν ποτέ και δεν θα μπορούσαν να καταστραφούν. Ο Δημόκριτος πίστευε ότι δεν υπήρχε τίποτα ανάμεσα στα άτομα και ότι όλα γύρω μας θα μπορούσαν να εξηγηθούν αν μπορούσαμε να καταλάβουμε πώς λειτουργούν τα άτομα.

Κάποιοι άλλοι φιλόσοφοι συμφώνησαν και άλλοι διαφώνησαν. Δεν είχαν τρόπο να πειραματιστούν για να αποδείξουν αν η θεωρία του ήταν αληθινή ή όχι.

Το 1758, ο Ρότζερ Τζόζεφ Μπόσκοβιτς περιέγραψε έναν πρόδρομο της ατομικής θεωρίας.

Το 1803, ο Άγγλος επιστήμονας Τζον Ντάλτον, γεννημένος στο Κάμπερλαντ, επεξεργάστηκε τη θεωρία του Δημόκριτου ως εξής:

1. Όλη η ύλη αποτελείται από άτομα.
2. Ότι τα άτομα είναι αδιαίρετα και αόρατα σωματίδια.
3. Ότι τα άτομα του ίδιου στοιχείου έχουν τον ίδιο τύπο και μάζα.
4. Τα άτομα που συνθέτουν τις χημικές ενώσεις είναι παρόντα σε καθορισμένες αναλογίες.
5. Οι χημικές μεταβολές αντιστοιχούν σε αναδιοργάνωση των ατόμων που συμμετέχουν στη χημική αντίδραση.

Ο Ντάλτον όρισε το άτομο ως τη βασική μονάδα ενός στοιχείου που μπορεί να λάβει μέρος σε έναν χημικό συνδυασμό.

Το 1850, ο Sir William Crookes κατασκεύασε έναν "σωλήνα εκκένωσης", δηλαδή έναν γυάλινο σωλήνα με αφαιρεμένο αέρα και μεταλλικά ηλεκτρόδια στα άκρα του, συνδεδεμένο με μια πηγή υψηλής τάσης. Όταν δημιουργείται κενό στον σωλήνα, παρατηρείται μια ελαφριά εκκένωση που πηγαίνει από την κάθοδο (αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο) στην άνοδο (θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο). Ο Crookes ονόμασε την εκπομπή αυτή "καθοδικές ακτίνες".

Μετά τα πειράματα με τις καθοδικές ακτίνες, ο Sir Joseph John Thomson διαπίστωσε ότι η εκπεμπόμενη ακτίνα σχηματίζεται από αρνητικά φορτία, επειδή έλκονται από τον θετικό πόλο. Ο Thomson γνώριζε ότι τα άτομα ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα, αλλά διαπίστωσε ότι, για να συμβεί αυτό, ένα άτομο θα πρέπει να έχει την ίδια ποσότητα αρνητικών και θετικών φορτίων. Τα αρνητικά φορτία ονομάστηκαν ηλεκτρόνια (e-).

Σύμφωνα με τις παραδοχές που είχαν δημιουργηθεί σχετικά με το ουδέτερο φορτίο των ατόμων, ο Thomson πρότεινε το πρώτο ατομικό μοντέλο, το οποίο περιγράφηκε ως μια θετικά φορτισμένη σφαίρα στην οποία ήταν τοποθετημένα τα ηλεκτρόνια (με αρνητικά φορτία). Είναι γνωστό ως το μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου.

Το 1906, ο Ρόμπερτ Μίλικαν προσδιόρισε ότι τα ηλεκτρόνια είχαν φορτίο Κουλόμπ (C) -1,6 * 10⁻¹⁹, κάτι που επέτρεψε τον υπολογισμό της μάζας τους ως μικροσκοπική, ίση με 9,109 * 10 ⁻³¹kg.

Την ίδια εποχή, τα πειράματα του Eugene Goldstein το 1886 με λυχνίες καθοδικής εκκένωσης του επέτρεψαν να διαπιστώσει ότι τα θετικά φορτία είχαν μάζα 1,6726 * 10⁻²⁷ kg και ηλεκτρικό φορτίο +1,6 * 10 C⁻¹⁹. Ο λόρδος Ernest Rutherford ονόμασε αργότερα αυτά τα θετικά φορτισμένα σωματίδια πρωτόνια.

Το 1910, ο Νεοζηλανδός φυσικός Ernest Rutherford διατύπωσε την ιδέα ότι τα θετικά φορτία του ατόμου βρίσκονται κυρίως στο κέντρο του, στον πυρήνα, και τα ηλεκτρόνια (e-) γύρω από αυτόν.

Ο Ράδερφορντ το έδειξε αυτό όταν χρησιμοποίησε μια πηγή ακτινοβολίας άλφα (από ήλιο) για να χτυπήσει τα πολύ λεπτά φύλλα χρυσού, που περιβάλλονταν από ένα αμπαζούρ από θειούχο ψευδάργυρο, το οποίο παρήγαγε ορατό φως όταν χτυπήθηκε από τις εκπομπές άλφα. Το πείραμα αυτό ονομάστηκε πείραμα Γκάιγκερ-Μάρσντεν ή πείραμα με φύλλα χρυσού.

Σε αυτό το στάδιο τα κύρια στοιχεία του ατόμου ήταν σαφή, καθώς και η ανακάλυψη ότι τα άτομα ενός στοιχείου μπορεί να εμφανίζονται σε ισότοπα. Τα ισότοπα διαφέρουν ως προς τον αριθμό των νετρονίων που υπάρχουν στον πυρήνα. Παρόλο που αυτό το μοντέλο ήταν καλά κατανοητό, η σύγχρονη φυσική έχει αναπτυχθεί περαιτέρω και οι σημερινές ιδέες δεν μπορούν να γίνουν εύκολα κατανοητές. Κάποια ιδέα της σημερινής ατομικής φυσικής μπορείτε να βρείτε στους συνδέσμους του παρακάτω πίνακα.

Τα άτομα δεν είναι στοιχειώδη σωματίδια, επειδή αποτελούνται από υποατομικά σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι επίσης στοιχειώδη σωματίδια, επειδή αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ και συνδέονται μεταξύ τους με άλλα σωματίδια που ονομάζονται γλουόνια (επειδή "συγκολλούν" τα κουάρκ μεταξύ τους στο άτομο). Τα κουάρκ είναι στοιχειώδη, επειδή τα κουάρκ δεν μπορούν να διασπαστούν περαιτέρω.