Sisu
- Demokraatliku osakeste teooria
- Demokraatlik eksperiment aatomite olemasolu tõestamiseks
- John Dalton ja moodne aatomiteooria
- Osakesteooria vastab kvanttile
- Kaasaegne aatom
Aine osakeste teooriat ei avastatud niivõrd, kuivõrd see sõnastati, ja see formuleerimine algas Vana-Kreekas.
Inimene, kellele on omistatud idee, et maailm koosneb pisikestest, jagamatutest osakestest, on filosoof Democritus, kes elas 460–370 eKr. Ta kavandas eksperimendi oma idee tõestamiseks ja kuigi Democrituse eksperiment võib tänapäeval tunduda liiga lihtsustatuna, aitas see sünnitada aatomi kontseptsiooni, millel on keskne roll tänapäevases mateeria mõistmises.
Katsele järgnenud sajanditel ei teinud Democrituse osakeste teooria kuigi palju edusamme, kuid XIX sajandi vahetusel võttis selle kasutusele inglise keemik ja füüsik John Dalton (1766 - 1844).
Daltonsi töö jäi sajandi paremaks pooleks praktiliselt muutumatuks, kuni kaasati moodsate füüsikute meeskond, kuhu kuulusid sellised nimed nagu Thompson, Rutherford, Bohr, Planck ja Einstein. Siis hakkasid sädemed lendama ja maailm jõudis tuumaajastusse.
Demokraatliku osakeste teooria
Kõlab nii, nagu oleks sõna "demokraatia" võinud tuleneda tema nimest, kuid Democritus polnud poliitiline filosoof. Sõna pärineb tegelikult kreeka sõnadest demosid, mis tähendab "rahvas" ja krateiin, mis tähendab "valitsema".
Naeruväärseks filosoofiks, kes oma rõõmsameelsusele suurt tähtsust pani, tegi Democritus veel ühe olulise sõna: aatom. Ta nimetas väikesi osakesi, mis moodustavad universumis kõike: atomos, mis tähendab vaieldamatut või jagamatut.
See polnud tema ainus teerajaja panus teadusesse. Democritus oli ka esimene, kes leidis, et Linnuteelt nähtav valgus on paljude üksikute tähtede ühendatud valgus. Ta pakkus välja ka teiste planeetide olemasolu ja isegi postuleeris mitme universumi olemasolu - idee, mis on tänapäeval teaduse tipptasemel.
Aristotelese (384 - 322 eKr) sõnul uskus Democritus, et inimese hing koosneb tuleaatomitest ja maa aatomite kehast. See oli vastuolus Aristotelese veendumusega, et maailm koosneb õhu, tule, maa ja vee neljast elemendist ning et elementide suhe määras asja omadused.
Aristoteles uskus isegi, et elemente saab muuta üksteiseks - idee, mis õhutas kogu keskajal otsima filosoofide kivi.
Demokraatlik eksperiment aatomite olemasolu tõestamiseks
Ei Aristoteles ega võrdselt mõjukas Platon (umbes 429 - 347 eKr) ei tellinud Democrituse osakeste teooriat ja "naerva filosoofi" tõsiseks võtmiseks kulus 2000 aastat. Sellel võis olla midagi pistmist eksperimendiga, mille Democritus kavandas oma teooria tõestamiseks, mis oli vähem kui veenev.
Democritus põhjendas seda, et kui võtate kivi või mõne muu eseme ja jagate selle pooleks, jõuate lõpuks tükini, mis on nii väike, et seda ei saa enam jagada. Öeldakse, et ta tegi selle katse merikarbiga ja kui ta rediseeris koore peeneks pulbriks, mida ta ei saanud enam väiksemateks tükkideks lõigata, pidas ta seda oma teoreemi tõestuseks.
Democritus oli erinevalt Platonist ja Aristotelesest materialist, kes uskus, et sündmuste eesmärgid on olulisemad kui nende põhjused. Ta oli teerajaja matemaatikas ja geomeetrias ning ta oli sel ajal väheste inimeste seas, kes uskusid, et maa on sfääriline. Isegi kui ta ei suudaks seda veenvalt tõestada, pole tema ettekujutus aatomitest, mis eksisteerivad enamasti tühjas ruumis, millel kõigil on väike takjakujuline konks, mis võimaldas ühenduda teiste aatomitega, kuid see pole aatomi tänapäevasest teadusmudelist kaugel.
John Dalton ja moodne aatomiteooria
Kas Democrituse teooria oli õige? Vastus on täpsustatud jah, kuid seda ei peetud isegi võimaluseks aastani 1800. See oli siis, kui John Dalton pidas seda uuesti läbi, töötades Prantsuse keemiku Joseph Prousti välja töötatud püsiva koosseisu seaduse kallal. Kodanike seadus järgneb otseselt massi kaitse seadusele, mille oli avastanud teine Prantsuse keemik Antoine Lavoisier.
Pideva kompositsiooni seadus väidab, et puhta ühendi proov sisaldab hoolimata sellest, kuidas seda saadakse, alati samu elemente samades massisuhetes. Dalton mõistis, et see võib olla tõsi ainult siis, kui mateeria koosneks jagamatutest osakestest, mida ta nimetas aatomiteks (noogutades peaga Democritusele). Dalton tegi neli avaldust mateeria kohta mis koos moodustavad tema aatomiteooria:
Daltonite aatomiteooria püsis enamiku XIX sajandist praktiliselt muutumatuna.
Osakesteooria vastab kvanttile
XIX sajandi jooksul on olnud arutelu valguse olemuse üle - kas see levib laine või osakesena. Paljud eksperimendid kinnitasid lainehüpoteesi ja veel paljud kinnitasid korpuskulaarset. 1887. aastal avastas saksa füüsik Heinrich Hertz fotoelektrilise efekti, kui ta tegi katseid sädemevahe generaatoriga. See avastus osutus palju tähtsamaks, kui Hertz mõistis.
Umbes sel ajal oli inglise füüsik J.J. Thompson avastas katoodkiirte käitumise uurimisel esimese subatomaatilise osakese - elektroni. Tema avastus aitas selgitada, mis moodustas juhtiva plaadi elektrilahenduse, kui paistate sellele valgust - mis see on fotoelektriline efekt - aga mitte see, mis põhjustab tühjenemist ega miks elektrilise impulsi tugevus on seotud valguse sagedusega. Lahendust tuli oodata 1914. aastani.
Keegi peale Albert Einstein ei selgitanud fotoelektrilist efekti nn väikeste energiapakkide näol kvant. Need pakkus välja saksa füüsik Max Planck 1900. aastal. Einsteini selgitus tõestas kvantteooriat ja talle määrati selle eest Nobeli preemia.
Kui Planck neid eostati, olid Quanta korraga nii osakesed kui ka lained. Plancki sõnul koosnes valgus kvoonidest, mida nimetatakse footoniteks, millest igaühel oli konkreetne energia, mis oli määratletud selle sagedusega. 1913. aastal kasutas taani füüsik Neils Bohr Plancksi teooriat, et anda aatomite planeedimudelile, mille Uus-Meremaa füüsik Ernest Rutherford pakkus 1911. aastal välja kvantülekande.
Kaasaegne aatom
Bohrsi aatomi mudelis võivad elektronid orbiite muuta footonit eraldades või neelates, kuid kuna footonid on diskreetsed pakendid, saavad elektronid orbiite muuta ainult diskreetsetes kogustes. Kaks eksperimenteerijat, James Franck ja Gustav Hertz, kavandasid eksperimendi, mis kinnitas Bohrsi hüpoteesi elektronide abil elavhõbeda aatomite pommitamisega, ja nad tegid seda, teadmata isegi Bohrsi tööst.
Kahe modifikatsiooniga on Bohrsi mudel säilinud tänapäevani, ehkki enamik kaasaegseid füüsikuid peab seda lähenduseks. Esimene modifikatsioon oli prootoni avastamine Rutherfordi poolt 1920. aastal ja teine oli neutrooni avastamine Briti füüsiku James Chadwicki poolt 1932. aastal.
Kaasaegne aatom on demokraatia osakeste teooria kinnitus, kuid samas ka ümberlükkamine. Aatomid osutuvad jagamatuks ja see kehtib ka neid sisaldavate elementaarosakeste kohta. Võite jaotada elektronid, prootonid ja neutronid väiksemateks osakesteks, mida nimetatakse kvarkideks ja kvarki võib isegi olla võimalik jagada. Teekond küüliku auku mööda pole veel kaugeltki läbi.