30.1: Ugunduzi wa Atom

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza muundo wa msingi wa atomi, substructure ya jambo lolote.

Tunajuaje kwamba atomi zipo kweli ikiwa hatuwezi kuziona kwa macho yetu? Maelezo mafupi ya maendeleo kutoka pendekezo la atomi na Wagiriki hadi ushahidi wa kwanza wa moja kwa moja wa kuwepo kwao ifuatavyo.

Watu kwa muda mrefu walidhani kuhusu muundo wa suala na kuwepo kwa atomi. Mawazo muhimu ya mwanzo ya kuishi yanatokana na Wagiriki wa kale katika karne ya tano KK, hasa yale ya wanafalsafa Leucippus na Democritus. (Kuna ushahidi kwamba wanafalsafa nchini India na China walifanya uvumi sawa, kwa wakati mmoja.) Walizingatia swali la kama dutu inaweza kugawanywa bila kikomo katika vipande vidogo vidogo. Kuna majibu machache tu yanayowezekana kwa swali hili. Moja ni kwamba mgawanyiko mdogo mdogo unawezekana. Mwingine ni kile ambacho Democritus hasa aliamini - kwamba kuna kitengo kidogo ambacho hakiwezi kugawanyika zaidi. Democritus aliita hii atomu. Sasa tunajua kwamba atomi wenyewe zinaweza kugawanywa, lakini utambulisho wao umeharibiwa katika mchakato, hivyo Wagiriki walikuwa sahihi kwa heshima. Wagiriki pia walihisi kwamba atomi zilikuwa katika mwendo wa mara kwa mara, wazo lingine sahihi.

Wagiriki na wengineo walidhani kuhusu tabia za atomi, wakipendekeza kuwa aina chache tu zilikuwepo na kwamba jambo lote liliundwa kama mchanganyiko mbalimbali wa aina hizi. Pendekezo maarufu kwamba mambo ya msingi yalikuwa dunia, hewa, moto, na maji yalikuwa ya kipaji, lakini si sahihi. Wagiriki walikuwa wametambua mifano ya kawaida ya majimbo manne ya jambo (imara, gesi, plasma, na kiowevu), badala ya elementi za msingi. Zaidi ya miaka 2000 kupita kabla ya uchunguzi inaweza kufanywa na vifaa vinavyoweza kufunua asili ya kweli ya atomi.

Zaidi ya karne nyingi, uvumbuzi ulifanywa kuhusu mali ya vitu na athari zao za kemikali. Vipengele vingine vya utaratibu vilitambuliwa, lakini kufanana kati ya mambo ya kawaida na ya kawaida yalisababisha jitihada za kuzibadilisha (kusababisha dhahabu, hususan) kwa faida ya kifedha. Usiri ulikuwa endemic. Alchemists waligundua na kugundua tena ukweli wengi lakini hawakuwafanya kwa upana kupatikana. Kama Zama za Kati zimekamilika, alchemy ilipungua hatua kwa hatua, na sayansi ya kemia iliondoka. Haikuwezekana tena, wala kuchukuliwa kuhitajika, kuweka uvumbuzi siri. Maarifa ya pamoja yalikua, na mwanzoni mwa karne ya 19, ukweli muhimu ulianzishwa vizuri-raia wa reactants katika athari maalum za kemikali daima huwa na uwiano fulani wa wingi. Huu ni ushahidi mkali sana wa moja kwa moja kwamba kuna vitengo vya msingi (atomi na molekuli) ambavyo vina uwiano sawa wa wingi. Mwanakemia wa Kiingereza John Dalton (1766—1844) alifanya mengi ya kazi hii, akiwa na michango muhimu na mwanafizikia wa Italia Amedeo Avogadro (1776—1856). Alikuwa Avogadro aliyeendeleza wazo la idadi fasta ya atomi na molekuli katika mole, na namba hii maalum inaitwa namba ya Avogadro kwa heshima yake. Mwanafizikia wa Austria Johann Josef Loschmidt alikuwa wa kwanza kupima thamani ya mara kwa mara mwaka 1865 akitumia nadharia ya kinetic ya gesi.

SAMPULI NA UTARATIBU

Kutambua na kuthamini mifumo imetuwezesha kufanya uvumbuzi wengi. Jedwali la mara kwa mara la elementi lilipendekezwa kama muhtasari ulioandaliwa wa elementi zilizojulikana muda mrefu kabla ya elementi zote zimegunduliwa, na likasababisha uvumbuzi mwingine wengi. Tutaona katika sura za baadaye kwamba ruwaza katika tabia za chembe za subatomiki zilisababisha pendekezo la quarks kama muundo wao wa msingi, wazo ambalo bado linazaa matunda.

Maarifa ya mali ya vipengele na misombo ilikua, ikifikia katikati ya karne ya 19 maendeleo ya meza ya mara kwa mara ya vipengele na Dmitri Mendeleev (1834—1907), mwanakemia mkuu wa Kirusi. Mendeleev alipendekeza safu ya ustadi ambayo ilionyesha hali ya mara kwa mara ya mali ya vipengele. Kuamini katika utaratibu wa meza ya mara kwa mara, pia alitabiri kuwepo kwa vipengele visivyojulikana ili kukamilisha. Mara baada ya vipengele hivi kugunduliwa na kuamua kuwa na mali zilizotabiriwa na Mendeleev, meza yake ya mara kwa mara ilikubaliwa ulimwenguni pote.

Pia wakati wa karne ya 19, nadharia ya kinetic ya gesi ilitengenezwa. Nadharia ya Kinetic inategemea kuwepo kwa atomi na molekuli katika mwendo wa random mafuta na hutoa maelezo microscopic ya sheria za gesi, uhamisho wa joto, na thermodynamics. Nadharia ya Kinetic inafanya kazi vizuri kiasi kwamba ni dalili nyingine yenye nguvu ya kuwepo kwa atomi. Lakini bado ni ushahidi wa moja kwa moja—atomi na molekuli za mtu binafsi hazikuzingatiwa. Kulikuwa na mijadala yenye joto juu ya uhalali wa nadharia ya kinetiki hadi ushahidi wa moja kwa moja wa atomi

Ushahidi wa kwanza wa moja kwa moja wa atomi unahesabiwa kwa Robert Brown, mtaalamu wa mimea ya Scottish. Mnamo mwaka wa 1827, aliona kwamba nafaka ndogo za poleni zilizosimamishwa katika maji bado zimehamia katika njia ngumu. Hii inaweza kuzingatiwa na darubini kwa chembe yoyote ndogo katika maji. Mwendo huo unasababishwa na mwendo wa random wa mafuta ya molekuli ya maji yanayogongana na chembe katika maji, na sasa inaitwa mwendo wa Brownian (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kushuka kwa takwimu katika idadi ya molekuli zinazopiga pande za chembe inayoonekana husababisha kusonga kwanza kwa njia hii, halafu hiyo. Ingawa molekuli haziwezi kuzingatiwa moja kwa moja, athari zao kwenye chembe zinaweza kuwa. Kwa kuchunguza mwendo wa Brownian, ukubwa wa molekuli unaweza kuhesabiwa. Wao ni ndogo na wengi zaidi, ndogo kushuka kwa idadi ya kushangaza pande tofauti.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Msimamo wa nafaka ya poleni katika maji, kipimo kila sekunde chache chini ya darubini, inaonyesha mwendo wa Brownian. Mwendo wa Brownian unatokana na kushuka kwa idadi ya atomi na molekuli zinazogongana na molekuli ndogo, na kusababisha kuzunguka katika njia ngumu. Huu ni ushahidi wa karibu wa moja kwa moja kwa kuwepo kwa atomi, kutoa maelezo mbadala ya kuridhisha hayawezi kupatikana.

Alikuwa Albert Einstein ambaye, kuanzia mwaka wake wa kipindi cha 1905, alichapisha magazeti kadhaa yaliyoelezea kwa usahihi jinsi mwendo wa Brownian unaweza kutumika kupima ukubwa wa atomi na molekuli. (Mwaka 1905 Einstein aliunda relativity maalum, photoni zilizopendekezwa kama quanta ya mionzi ya EM, na kuzalisha nadharia ya mwendo wa Brownian iliyowezesha ukubwa wa atomi kuamuliwa. Yote haya yalifanyika wakati wake wa vipuri, tangu alifanya kazi siku kama mtahini wa patent. Yoyote ya kazi hizi za msingi inaweza kuwa mafanikio ya taji ya kazi nzima-lakini Einstein alifanya hata zaidi katika miaka ya baadaye.) Ukubwa wao ulikuwa takriban tu kujulikana kuwa\(10^{-10} \, m\), kulingana na kulinganisha joto fiche ya uvukizi na mvutano wa uso uliofanywa katika takriban 1805 na Thomas Young wa umaarufu wa watakata mara mbili na mwanaastronomia maarufu na mwanahisabati Simon Laplace.

Kwa kutumia mawazo ya Einstein, mwanafizikia wa Kifaransa Jean-Baptiste Perrin (1870—1942) aliona kwa makini mwendo wa Brownia; siyo tu alivyothibitisha nadharia ya Einstein, pia alitunga ukubwa sahihi kwa atomi na molekuli. Kwa kuwa uzito wa molekuli na msongamano wa vifaa vilianzishwa vizuri, kujua ukubwa wa atomiki na Masi kuruhusiwa thamani sahihi kwa idadi ya Avogadro kupatikana. (Kama tunajua jinsi atomu ilivyo kubwa, tunajua wangapi wanaofaa katika kiasi fulani.) Perrin alitumia pia mawazo haya kuelezea athari za fadhaa za atomiki na Masi katika mchanga, na alipokea Tuzo ya Nobel ya 1926 kwa mafanikio yake. Wanasayansi wengi walikuwa tayari wanaamini kuwepo kwa atomi, lakini uchunguzi sahihi na uchambuzi wa mwendo wa Brownian ulikuwa na hitimishi-ilikuwa ushahidi wa kwanza wa moja kwa moja.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Atomi ya mtu binafsi inaweza kuwa wanaona na vifaa kama vile skanning tunneling elektroni microscope kwamba zinazozalishwa picha hii ya atomi dhahabu mtu binafsi juu ya substrate grafiti. (mikopo: Erwin Rossen, Chuo Kikuu cha Teknolojia cha Eindhoven, kupitia Wikimedia Commons)

Safu kubwa ya ushahidi wa moja kwa moja na wa moja kwa moja kwa kuwepo kwa atomi sasa ipo. Kwa mfano, imekuwa inawezekana kuharakisha ions (kama vile elektroni zinaharakisha katika zilizopo za cathode-ray) na kuzitambua mmoja mmoja na pia kupima raia zao (tazama Maombi Zaidi ya Magnetism kwa majadiliano ya spectrometers ya molekuli). Vifaa vingine vinavyozingatia atomi za mtu binafsi, kama vile microscope ya elektroni ya skanning, itajadiliwa mahali pengine (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Uelewa wetu wote wa mali ya suala ni msingi na sambamba na atomu. Substructures ya atomi, kama vile maganda ya elektroni na kiini, wote ni ya kuvutia na muhimu. Kiini kwa upande wake kina substructure, kama vile chembe ambazo zinajumuisha. Mada hizi, na swali la kama kuna muundo mdogo wa msingi wa jambo, litachunguzwa katika sehemu za baadaye za maandiko.

Muhtasari

• Atomi ni kitengo kidogo cha elementi; atomi huchanganya kuunda molekuli, kitengo kidogo cha misombo.
• Uchunguzi wa kwanza wa moja kwa moja wa atomi ulikuwa katika mwendo wa Brownian.
• Uchambuzi wa mwendo wa Brownian ulitoa ukubwa sahihi kwa atomi (kwa\(10^{-10} \, m\) wastani) na thamani sahihi kwa idadi ya Avogadro.

faharasa

atomi

kitengo cha msingi cha suala, ambalo lina kiini cha kati, chenye kushtakiwa kilichozungukwa na elektroni za kushtakiwa vibaya

Mwendo wa Brownian

kuendelea random harakati ya chembe ya suala suspended katika kioevu au gesi