Innhold
- The Democritus Particle Theory
- Demokrituseksperimentet for å bevise eksistensen av atomer
- John Dalton og Modern Atomic Theory
- Partikkelteori oppfyller kvanten
- Det moderne atomet
Partikkelteorien om materie ble ikke så mye oppdaget som den ble formulert, og den formuleringen begynte i antikkens Hellas.
Personen som blir kreditert for å ha blitt unnfanget av tanken om at verden er sammensatt av bittesmå, udelelige partikler, er filosofen Democritus, som levde fra 460 til 370 fvt. Han tenkte ut et eksperiment for å bevise ideen sin, og selv om Democritus-eksperimentet kan virke altfor forenklet i dag, bidro det til å føde begrepet atom, som er sentralt for den moderne forståelsen av materie.
I århundrene som fulgte eksperimentet gjorde ikke Democritus partikkelteori store fremskritt, men på begynnelsen av det nittende århundre ble den tatt opp av den engelske kjemikeren og fysikeren John Dalton (1766 - 1844).
Daltons arbeid forble praktisk talt uendret i bedre deler av et århundre inntil et mannskap av moderne fysikere som inkluderte navn som Thompson, Rutherford, Bohr, Planck og Einstein ble involvert. Det var da gnister begynte å fly, og verden gikk inn i kjernealderen.
The Democritus Particle Theory
Det høres ut som om ordet "demokrati" kan ha blitt avledet fra navnet hans, men Democritus var ikke en politisk filosof. Ordet kommer faktisk fra de greske ordene demoer, som betyr "folket," og kratein, som betyr "å herske."
Democritus, kjent som den "latterfilosofen" på grunn av den store viktigheten han la på munterhet, gjorde et annet viktig ord: atom. Han refererte til de små partiklene som utgjør alt i universet som atomos, som betyr utskårbar eller udelelig.
Dette var ikke hans eneste banebrytende bidrag til vitenskapen. Democritus var også den første til å påpeke at lyset vi ser fra Melkeveien er det kombinerte lyset fra en mengde individuelle stjerner. Han foreslo også eksistensen av andre planeter og postulerte til og med eksistensen av flere universer, en ide som er i forkant av vitenskapen i dag.
I følge Aristoteles (384 - 322 fvt) mente Democritus at menneskesjelen var sammensatt av brannatomer og jordatomer. Dette var i strid med Aristoteleses tro på at verden består av de fire elementene luft, ild, jord og vann, og at forholdet mellom elementene bestemte egenskapene til saken.
Aristoteles trodde til og med at elementene kunne transformeres til hverandre, en ide som drev søket etter Philosophers Stone gjennom middelalderen.
Demokrituseksperimentet for å bevise eksistensen av atomer
Verken Aristoteles eller den like innflytelsesrike Platon (ca. 429 - 347 fvt) abonnerte på Democritus-partikkelteorien, og det ville ta 2000 år før den "latterfilosofen" ble tatt på alvor. Det kan ha noe å gjøre med eksperimentet som Democritus utviklet for å bevise sin teori, som var mindre enn overbevisende.
Democritus begrunnet at hvis du tar en stein eller en annen gjenstand og fortsetter å dele den i to, kommer du til slutt til et stykke som er så lite at det ikke kan deles mer. Det sies at han utførte dette eksperimentet med et skjell, og da han reduserte skallet til et fint pulver som han ikke lenger kunne skjære i mindre biter, vurderte han det beviset på teoremet sitt.
Democritus var en materialist, i motsetning til Platon og Aristoteles, som mente at formålene med hendelsene var viktigere enn deres årsaker. Han var en pioner innen matematikk og geometri, og han var blant få mennesker på den tiden som mente jorden var sfærisk. Selv om han ikke kunne bevise det overbevisende, er hans oppfatning av atomer som for det meste eksisterer i tomt rom, hver med en liten borrelås-krok som tillot den å få forbindelse med andre atomer, ikke så langt fjernet fra atomens moderne vitenskapelige modell.
John Dalton og Modern Atomic Theory
Var Democritus teori riktig? Svaret er et kvalifisert ja, men det ble ikke en gang betraktet som en mulighet før i 1800. Dette var da John Dalton revurderte det mens han arbeidet med Law of Constant Composition avansert av den franske kjemikeren Joseph Proust. Anklagerlov fulgte direkte fra loven om bevaring av masse, som hadde blitt oppdaget av en annen fransk kjemiker, Antoine Lavoisier.
Loven om konstant sammensetning angir at en prøve av en ren forbindelse, uansett hvordan den oppnås, alltid inneholder de samme elementene i samme masseproporsjoner. Dalton innså at dette bare kunne være sant hvis materien besto av udelelige partikler, som han kalte atomer (med et nikk fra hodet til Democritus). Dalton laget fire uttalelser om saken som til sammen utgjør hans atomteori:
Daltons atomteori forble praktisk talt uendret det meste av det nittende århundre.
Partikkelteori oppfyller kvanten
Gjennom det nittende århundre hadde det vært en debatt om lysets natur - enten det forplantet seg som en bølge eller en partikkel. Mange eksperimenter bekreftet bølgehypotesen, og mange flere bekreftet den corpuskulære. I 1887 oppdaget den tyske fysikeren Heinrich Hertz den fotoelektriske effekten da han gjorde eksperimenter med en gnistgapgenerator. Denne oppdagelsen viste seg å være langt viktigere enn Hertz innså.
Rundt den tiden var den engelske fysikeren J.J. Thompson oppdaget den første subatomære partikkelen, elektronet, ved å undersøke atferden til katodestråler. Oppdagelsen hans bidro til å forklare hva som utgjorde den elektriske utladningen fra en ledende plate når du lyser på den - som er fotoelektrisk effekt - men ikke hva som forårsaker utladningen eller hvorfor styrken til den elektriske impulsen er relatert til lysfrekvensen. Løsningen måtte vente til 1914.
Ingen andre enn Albert Einstein forklarte den fotoelektriske effekten i form av små energipakker kvanter. Disse hadde blitt foreslått av den tyske fysikeren Max Planck i 1900. Einsteins forklaring beviste kvanteteori, og han ble tildelt Nobelprisen for den.
Quanta, som Planck unnfanget dem, var både partikler og bølger på samme tid. I følge Planck var lys sammensatt av kvanta kalt fotoner, som hver hadde en bestemt energi definert av dens frekvens. I 1913 brukte den danske fysikeren Neils Bohr Plancks teori for å gi planetarisk modell av atomet, som ble foreslått av den newzealandske fysikeren Ernest Rutherford i 1911, en kvantedrift.
Det moderne atomet
I Bohrs-modellen av atomet kan elektronene endre baner ved å sende ut eller absorbere et foton, men siden fotoner er diskrete pakker, kan elektronene bare endre baner i diskrete mengder. To eksperimenter, James Franck og Gustav Hertz, utviklet et eksperiment som bekreftet Bohrs hypotese ved å bombardere kvikksølvatomer med elektron, og de gjorde det uten å engang vite om Bohrs arbeid.
Med to modifikasjoner har Bohrs-modellen overlevd til i dag, selv om de fleste moderne fysikere anser det som en tilnærming. Den første modifiseringen var oppdagelsen av protonet av Rutherford i 1920, og den andre var oppdagelsen av nøytronet av den britiske fysikeren James Chadwick i 1932.
Det moderne atomet er en bekreftelse av Democritus-partikkelteorien, men det er også noe av en avvisning. Atomer viser seg å ikke være udelelige, og det stemmer også for de elementære partiklene som inneholder dem. Du kan dele elektroner, protoner og nøytroner i mindre partikler som kalles kvarker, og det kan til og med være mulig å dele en kvark. Reisen ned gjennom kaninhullet er langt fra over.