yksi ensimmäisistä kuvattavista atomien ominaisuuksista oli suhteellinen atomipaino. Vaikka yksittäinen atomi oli liian pieni punnittavaksi, atomeja voitiin verrata toisiinsa. Kemisti Jons Berzelius oletti, että yhtä paljon kaasuja samassa lämpötilassa ja paineessa sisälsi yhtä monta atomia. Hän käytti tätä ajatusta atomiteorian kehitykseen. Kuvitus: Hans & Cassidy. Gale Groupin luvalla.vertaa reagoivien kaasujen painoja. Hän pystyi päättelemään, että esimerkiksi happiatomit olivat 16 kertaa raskaampia kuin vetyatomit. Hän teki luettelon näistä suhteellisista atomipainoista niin monelle alkuaineelle kuin hän tiesi. Hän kehitti alkuaineille symbolit käyttämällä niiden latinankielisten nimien ensimmäistä kirjainta tai kahta ensimmäistä kirjainta, mikä järjestelmä on yhä käytössä. Vedyn tunnus on H, hapen O, natriumin (latinaksi natrium) Na Ja niin edelleen. Symbolit osoittautuivat hyödyllisiksi myös kuvailtaessa, kuinka monta atomia yhtyy muodostaen molekyylin tietystä yhdisteestä. Esimerkiksi sen osoittamiseksi, että vesi koostuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista, veden symboli on H2O. yksi happiatomi voi jopa yhdistyä toisen happiatomin kanssa muodostaen happimolekyylin, jonka tunnus on O2 .
kun yhä useampia alkuaineita löydettiin, kävi käteväksi alkaa luetella niitä symbolimuodossa kaaviossa. Vuonna 1869 Dmitri Mendelejev luetteli alkuaineet suurenevan atomipainon mukaisessa järjestyksessä ja ryhmitteli alkuaineet, joilla näytti olevan samanlaisia kemiallisia reaktioita. Esimerkiksi litium (Li), natrium (Na) ja kalium (K) ovat kaikki metallisia alkuaineita, jotka syttyvät tuleen kastuessaan. Samanlaisia elementtejä oli sijoitettu samaan sarakkeeseen hänen kaavionsa. Mendelejev alkoi nähdä alkuaineiden joukossa kuvion, jossa joka kahdeksas alkuaine atomipainolistauksessa kuuluisi samaan sarakkeeseen. Tämän jaksottaisuuden eli toistuvan kuvion vuoksi Mendelejevin kaaviota kutsutaan ”alkuaineiden Jaksolliseksi järjestelmäksi.”Pöytä oli itse asiassa niin säännöllinen, että kun pöydässä oli” reikä”, Mendelejev ennusti, että lopulta löydettäisiin alkuaine, joka täyttäisi paikan. Siellä oli esimerkiksi tilaa alkuaineelle, jonka atomipaino oli noin 72 (72 kertaa vetyä raskaampi), mutta ei tunnettua alkuainetta. Vuonna 1886, 15 vuotta sen ennustamisen jälkeen, alkuaine Germanium (Ge) eristettiin ja sen atomipainoksi todettiin 72,3. Monia muita alkuaineita ennustettiin ja löydettiin tällä tavalla. Kun jaksolliseen järjestelmään kuitenkin lisättiin lisää alkuaineita, havaittiin, että jos jotkin alkuaineet sijoitettiin samanlaisten reaktioiden vuoksi oikeaan sarakkeeseen, ne eivät noudattaneet oikeaa järjestystä eli lisääntyvää atomipainoa. Alkuaineiden järjestämiseksi oikein tarvittiin jokin muu atominen ominaisuus. Kului monta vuotta ennen kuin oikea omaisuus löytyi.
kun kemian kokeissa etsittiin ja luonnehdittiin lisää alkuaineita, muut tieteenalat tekivät löytöjä sähköstä ja valosta, joiden oli määrä edistää atomiteorian kehitystä. Michael Faraday oli tehnyt paljon työtä luonnehtiakseen sähköä; James Clerk Maxwell luonnehti valoa. William Crookes rakensi 1870-luvulla laitteen, jota nykyään kutsutaan Crookesin putkeksi, tutkimaan metallien luovuttamia ”säteitä”. Hän halusi selvittää, olivatko säteet valoa vai sähköä Faradayn ja Maxwellin kuvausten perusteella. Crookesin putki koostui lasisesta polttimosta, josta suurin osa ilmasta oli poistettu ja joka ympäröi kahta elektrodeiksi kutsuttua metallilevyä. Yhtä elektrodia kutsuttiin anodiksi ja toista katodiksi. Kaikissa levyissä oli johto, joka johti lampun ulkopuolelle sähkönlähteeseen. Kun elektrodeihin kohdistettiin sähköä, säteet näyttivät tulevan katodista. Crookes päätteli, että nämä katodisäteet olivat hiukkasia, joilla oli negatiivinen sähkövaraus ja jotka katodilevyn metalli antoi pois. Vuonna 1897 J. J. Thomson havaitsi, että nämä negatiivisesti varautuneet hiukkaset tulivat ulos atomeista ja niiden on täytynyt alun perin olla läsnä metalliatomeissa. Hän kutsui näitä negatiivisesti varautuneita subatomisia hiukkasia ” elektroneiksi.”Koska elektronit olivat negatiivisesti varautuneita, muun atomin täytyi olla positiivisesti varautunut. Thomson uskoi, että elektronit hajosivat atomissa kuin rusinat positiivisesti varautuneessa leipätaikinassa tai kuin luumut vanukkaassa. Vaikka Thomsonin ”plum-pudding” – malli ei ollut oikea, se oli ensimmäinen yritys osoittaa, että atomit olivat monimutkaisempia kuin vain homogeeniset pallot.
samaan aikaan tutkijat tutkivat muunlaisia Crookesin putkesta tulevia salaperäisiä säteitä, jotka eivät olleet peräisin sen katodilta. Vuonna 1895 Wilhelm Roentgen huomasi, että Crookesin putken lähellä olevat Valokuvauslevyt huurtuisivat näkymättömien, tuntemattomien säteiden vaikutuksesta. Rotgen kutsui näitä säteitä ”röntgensäteiksi” käyttäen ”x”: ää tuntemattomille kuten matematiikassa. Rotgen vakiinnutti myös valokuvauslevyjen käytön tapana ottaa kuvia salaperäisistä säteistä. Hän havaitsi, että esimerkiksi sulkemalla röntgensäteet kädellään luut tukkisivat röntgensäteet, mutta iho ja kudos eivät. Lääkärit käyttävät yhä röntgensäteitä ihmiskehon kuvaamiseen.
Valokuvauslevyistä tuli Roentgenin ajan tiedemiesten vakiovarusteita. Yksi näistä tiedemiehistä, Henri Becquerel, jätti laatikkoon valokuvauslevyjä, joissa oli uraania, uutta alkuainetta, jota hän tutki. Kun hän poisti lautaset, hän huomasi, että ne olivat huurtuneet. Koska laatikossa ei ollut mitään muuta, hän päätteli, että uraanin on täytynyt antaa jonkinlaista sädettä. Becquerel osoitti, että tämä säteily ei ollut yhtä läpitunkevaa kuin röntgensäteet, koska paperi saattoi estää sen. Alkuaine itse tuotti aktiivisesti säteilyä, jota kutsutaan radioaktiivisuudeksi. Suurelta osin Pierre ja Marie Curien työn ansiosta löydettiin lisää radioaktiivisia alkuaineita. Yritykset luonnehtia eri radioaktiivisuuden tyyppejä johtivat seuraavaan suureen lukuun atomiteorian kehityksessä.
vuonna 1896 J. J. Thomsonin oppilas Ernest Rutherford alkoi tutkia radioaktiivisuutta. Testaamalla erilaisia alkuaineita ja selvittämällä, millaiset materiaalit voisivat estää säteilyä pääsemästä valokuvauslevylle, Rutherford päätteli, että alkuaineista lähtevää radioaktiivisuutta oli kahdenlaisia. Hän nimesi ne käyttäen kreikkalaisen kirjaimiston kahta ensimmäistä kirjainta, alfaa ja beetaa. Alfasäteily koostui positiivisesti varautuneista hiukkasista, jotka olivat noin neljä kertaa raskaampia kuin vetyatomi. Beetasäteily koostui negatiivisesti varautuneista hiukkasista, jotka näyttivät olevan aivan kuin elektroneja. Rutherford päätti kokeilla alfahiukkasilla tehtävää koetta. Hän pystytti palasen ohutta kultafoliota, jota ympäröivät Valokuvauslevyt. Tämän jälkeen hän antoi alfahiukkasten osua kultaan. Suurin osa alfahiukkasista meni kultafolion läpi. Mutta muutamat heistä eivät. Muutama alfahiukkanen poikkesi suorasta radastaan. Muutama tuli jopa suoraan taaksepäin. Rutherford kirjoitti, että se oli yhtä yllättävää kuin jos joku olisi ampunut luodin pehmopaperia kohti vain saadakseen sen kimpoamaan takaisin. Rutherford päätteli, että koska suurin osa alfahiukkasista meni läpi, kullan atomien täytyy olla enimmäkseen tyhjää avaruutta, Ei Thomsonin avaruutta täyttävää luumuvanukasta. Koska muutamat alfahiukkaset taipuivat, jokaisessa atomissa täytyy olla tiheään pakattu positiivinen alue, jota hän kutsui ytimeksi. Kun ydin oli täynnä positiivista varausta, seuraava kysymys oli atomin elektronien järjestely.
vuonna 1900 fyysikko Max Planck oli tutkinut valon ja lämmön prosesseja ja erityisesti yrittänyt ymmärtää ”mustan kappaleen”, täydellisesti heijastavien seinien tekemän ihanteellisen ontelon, antamaa valonsäteilyä. Tämän ontelon kuviteltiin sisältävän oskillaattoreiksi kutsuttuja esineitä, jotka absorboivat ja lähettivät valoa ja lämpöä. Riittävän ajan kuluessa tällaisen mustan kappaleen säteily tuottaisi värillisen valon jakauman, jota kutsutaan spektriksi, joka riippuisi vain mustan kappaleen lämpötilasta eikä siitä, mistä se on tehty. Monet tutkijat yrittivät löytää matemaattisen suhteen, joka ennustaisi, miten mustan kappaleen oskillaattorit voisivat tuottaa tietyn spektrijakauman. Max Planck löysi oikean matemaattisen suhteen. Hän olettaa, että energia absorboituu tai emittoituu oskillaattorit oli aina useita joitakin perustavanlaatuisia ”paketti energiaa” hän kutsui quantum. Kappaleet, jotka emittoivat tai absorboivat energiaa, tekevät sitä diskreetteinä määrinä, joita kutsutaan quantaksi.
samoihin aikoihin Thomsonin ja Rutherfordin kanssa työskenteli fyysikko nimeltä Niels Bohr. Bohr oivalsi, että ajatus energian kvantiteetista voisi selittää, miten atomin elektronit ovat järjestyneet. Hän kuvaili elektronien olevan” kiertoradalla ” ytimen ympärillä kuin aurinkoa kiertävät planeetat. Kuten oskillaattoreilla mustassa kappaleessa ei voinut olla mitä tahansa energiaa, atomissa olevilla elektroneilla ei voinut olla mitä tahansa rataa. Oli vain vedyn isotooppeja: vetyä, deuteriumia ja tritiumia. Kuvitus: Hans & Cassidy. Gale Groupin luvalla.tietyt etäisyydet, jotka elektronin energia mahdollisti. Jos tietyn atomin elektroni absorboi täsmälleen oikean energiakvantin, se voisi siirtyä kauemmas ytimestä. Jos elektroni kauempana ytimestä lähettäisi täsmälleen oikean energiakvantin, se voisi siirtyä lähemmäs ydintä. Juuri oikeat arvot erosivat jokaisen elementin kohdalla. Nämä arvot voitiin määrittää atomispektroskopiaksi kutsutulla kokeellisella menetelmällä, jossa tarkasteltiin atomien tuottamaa valospektriä. Atomia kuumennettiin niin, että kaikki sen elektronit siirtyivät kauas ytimestä. Siirtyessään lähemmäs ydintä elektronit alkaisivat lähettää energiakvanttiaan valona. Tuotetun valon spektri voitiin tutkia prisman avulla. Näin tuotetussa spektrissä ei näkynyt kaikkia mahdollisia värejä, vaan vain ne harvat, jotka vastasivat elektronin kiertorataeroja vastaavia energioita. Vaikka Bohrin ”planetaarinen malli” atomista myöhemmin tarkentuikin, se selitti atomispektroskopiatiedot niin hyvin, että tutkijat käänsivät huomionsa takaisin atomin ytimeen.
Rutherford jatkoi yhdessä Frederick Soddyn kanssa työtä radioaktiivisten alkuaineiden parissa. Erityisesti Soddy huomasi, että kun atomeista lähti alfa-ja beetahiukkasia, atomit muuttuivat kahdella tavalla: 1) alkuaineesta tuli täysin erilainen alkuaine täysin uusilla kemiallisilla reaktioilla, tai 2) alkuaine säilytti samat kemialliset reaktiot ja saman atomispektrin, mutta vain muuttui atomipainoltaan.
hän kutsui toisen ryhmän isotooppeja atomeiksi, saman alkuaineen atomeiksi, joilla on eri atomipainot. Alkuaineen luonnollisessa näytteessä voi olla useita eri isotooppeja. Tämän seurauksena Berzeliuksen laskema alkuaineen atomipaino oli itse asiassa keskiarvo kyseisen alkuaineen kaikista isotooppipainoista. Tämä oli syy siihen, että jotkin alkuaineet eivät sijoittuneet oikeaan järjestykseen Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä—keskimääräinen atomipaino riippui siitä, kuinka paljon kutakin isotooppilajia oli. Soddy ehdotti alkuaineiden sijoittamista jaksolliseen järjestelmään kemiallisten reaktioiden samankaltaisuuden perusteella ja sitten niiden numerointia järjestykseen. Kullekin alkuaineelle tällä tavalla annettua lukua kutsutaan järjestysluvuksi. Järjestysluvut olivat käteviä tapoja viitata alkuaineisiin.
samaan aikaan Thomson oli jatkanut työtään Crookesin putken parissa. Hän havaitsi, että elektronien katodisäteiden lisäksi syntyi myös positiivisia hiukkasia. Pitkän huolellisen työn jälkeen hän pystyi erottamaan monet erilaiset positiiviset hiukkaset painon perusteella. Näiden mittausten perusteella hän pystyi määrittämään perushiukkasen, pienimmän tuotetun positiivisen hiukkasen, jota kutsutaan protoniksi. Koska näitä tuottivat katodin atomit ja koska Rutherford osoitti atomin ytimen olevan positiivinen, Thomson tajusi, että atomin ytimessä täytyy olla protoneja. Nuori tiedemies Henry Moseley kokeili eri alkuaineiden atomien pommittamista röntgensäteillä. Aivan kuten atomispektroskopiassa, jossa lämpö antaa elektroneille enemmän energiaa, röntgensäteet antavat ytimen protoneille enemmän energiaa. Ja aivan kuten elektronit antavat jäähtyessään tietyn energian valoa, ydin säteilee tietyn energian röntgensäteitä, kun se ”de-excites”.”Moseley havaitsi, että säteilevien röntgensäteiden energia jokaista alkuainetta kohti noudatti yksinkertaista matemaattista suhdetta. Energia riippui kyseisen alkuaineen järjestysluvusta, ja järjestysluku vastasi ytimen positiivisten varausten lukumäärää. Jaksollisen järjestelmän oikea järjestys on siis protonien määrän lisääntyminen atomiytimessä. Protonien määrä vastaa neutraalin atomin elektronien määrää. Elektronit ovat vastuussa kemiallisista reaktioista. Jaksollisen järjestelmän samassa sarakkeessa olevilla alkuaineilla on samanlaiset elektronien järjestelyt, joilla on suurimmat energiat, ja siksi niiden reaktiot ovat samanlaisia.
jäljellä oli vain yksi ongelma. Elektroneilla oli hyvin vähän painoa, 1/1, 836 protonin painoa. Protonit eivät kuitenkaan selittäneet atomin koko atomipainoa. Vasta vuonna 1932 James Chadwick havaitsi, että ytimessä on hiukkanen, jolla ei ole sähkövarausta, mutta jonka paino on hieman protonia suurempi. Hän antoi hiukkaselle nimen neutroni. Isotooppien olemassaolosta vastaavat neutronit. Kahdella saman alkuaineen atomilla on sama määrä protoneja ja elektroneja, mutta niillä voi olla eri määrä neutroneja ja siten eri atomipainot. Isotoopit nimetään ilmoittamalla alkuaineen nimi ja sen jälkeen ytimen protonien ja neutronien lukumäärä. Protonien ja neutronien summaa kutsutaan massaluvuksi. Esimerkiksi uraani-235: llä on 235 protonia ja neutronia. Voimme etsiä jaksollisesta järjestelmästä uraanin järjestyslukua (92), joka kertoo protonien määrän. Vähentämällä tiedämme, että isotoopilla on 143 neutronia. Uraanilla on toinenkin isotooppi, 238U, jossa on 92 protonia ja 146 neutronia. Jotkin protonien ja neutronien yhdistelmät ovat vähemmän stabiileja kuin toiset. Kuva yrittää pitää 10 keilapalloa käsivarsillasi. Tulee jokin järjestely, jossa voit ehkä hallita sitä. Yritä nyt pitää 11 tai vain yhdeksän. Voi olla, että ei ole vakaata järjestelyä ja pudotat keilapallot. Sama tapahtuu protoneille ja neutroneille. Epävakaat järjestelyt hajoavat itsestään ja emittoivat hiukkasia, kunnes saavutetaan vakaa rakenne. Näin syntyy alfahiukkasten kaltaista radioaktiivisuutta. Alfahiukkaset koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, jotka syöksyvät ulos epävakaasta ytimestä.
vedyllä on kolmenlaisia isotooppeja: vety, 2h (deuterium) ja 3H (tritium).
muiden alkuaineiden atomipainoja verrattiin alun perin vetyyn erittelemättä, mikä isotooppi. Vedystä on myös vaikea saada yksittäisiä atomeja, koska se reagoi yleensä muiden atomien kanssa muodostaen molekyylejä kuten H2 tai H2O. Atomipainot perustuvat nyt 12 C: hen (hiili-12). Tämän isotoopin ytimessä on kuusi protonia ja kuusi neutronia. Hiili-12 määriteltiin 12 atomimassayksiköksi. (Atomimassayksiköt, lyhennettynä amu, ovat yksiköitä, joita käytetään vertailemaan atomien suhteellisia painoja. Yksi amu on alle 200 sekstiljoonasosaa grammasta.) Joka toista alkuaineen isotooppia verrataan tähän. Sitten tietyn alkuaineen isotooppien painot lasketaan keskiarvoiksi, jolloin saadaan jaksollisen järjestelmän atomipainot.
tähän atomin tarinan kohtaan saakka kaikkia atomin muodostavia hiukkasia pidettiin kovina, yhtenäisinä palloina. Vuodesta 1920 alkaen Louis de Broglien työn myötä tämä kuva muuttui. De Broglie osoitti, että elektronien kaltaisilla hiukkasilla voi joskus olla aaltojen ominaisuuksia. Jos esimerkiksi veden aallot syntyvät kahdesta lähteestä, kuten pudottamalla kaksi pikkukiveä lampeen, aallot voivat häiritä toisiaan. Tämä tarkoittaa, että korkeat paikat lisätä tehdä vielä korkeampia paikkoja. Matalat kohdat lisäävät vielä matalammat alueet. Kun elektronit saatiin kulkemaan kaksoisraon läpi siten, että osa elektroneista kulki yhden raon läpi ja osa toisen läpi, ne loivat tehokkaasti kaksi lähdettä. Elektronit osoittivat samanlaista interferenssiä tuottaen kuvion kokoelmalevylle. Elektronien ja muiden hiukkasten kykyä joskus osoittaa hiukkasten ja joskus aaltojen ominaisuuksia kutsutaan Aalto-hiukkasduaalisuudeksi. Tämä komplikaatio luonne elektroni tarkoitti, että Bohr ajatus planeetan atomi ei ollut aivan oikea. Elektroneilla on toki erilaisia diskreettejä energioita, mutta ne eivät seuraa ympyräratoja. Vuonna 1925 Werner Heisenberg esitti, että elektronin tarkkaa nopeutta ja sijaintia ei voida tietää yhtä aikaa. Tämä” Heisenbergin epävarmuusperiaate ” inspiroi Erwin Schrödingeriä laatimaan yhtälön, jolla voidaan laskea, miten elektroni, jolla on tietty energia, liikkuu. Schrödingerin yhtälö kuvaa atomin alueita, joissa elektroni, jolla on tietty energia, on todennäköisesti, mutta ei tarkalleen missä se on. Tätä todennäköisyysaluetta kutsutaan orbitaaliksi. Elektronit liikkuvat näillä orbitaaleilla niin nopeasti, että voimme ajatella niiden hämärtyvän elektronipilveksi. Elektronit siirtyvät orbitaalilta toiselle absorboimalla tai emittoimalla kvanttienergiaa, aivan kuten Bohr selitti.
