Atomimallien kehittyminen

400-300 eKr Antiikin Kreikka

Leukippos ja Demokritos ajattelivat, että kaikki materia koostuu pienistä, jakamattomista ja liikkumattomista perusyksiköistä, atomeista, joiden välillä ei ole tyhjää tilaa. Epicuros esitti myöhemmin ajatuksen tyhjien tilojen olemassaolosta atomien välillä, jolloin ne voivat liikkua toistensa suhteen. Hän väitti myös, että liike ja järjestys johtuvat satunnaisista atomien törmäyksistä ja että kaiken tärkein tavoite on ”tasapaino ja hiljaisuus”.

1803 Daltonin atomimalli

Brittiläinen John Dalton esitti teoreettisen atomimallin, jonka mukaan atomit ovat pieniä, jakamattomia yksiköitä ja että ne ovat homogeenisia, eli eri alkuaineet koostuvat keskenään erilaisista atomeista. Täten esimerkiksi kaikilla happiatomeilla olisi sama massa sekä samat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Dalton oli ensimmäinen, joka esitti, että atomien lukumäärä pysyy vakiona kemiallisissa reaktioissa.

Atomeja ei synny eikä häviä kemiallisissa reaktioissa, vaan ne voivat ainoastaan järjestäytyä uudelleen irtoamalla toisistaan ja liittymällä toisiinsa muodostaen uusia yhdisteitä.

1904 Thomsonin rusinakakkumalli

J.J. Thomson oli yhdessä oppilaansa G.J. Stoney kanssa päätelleet kuuluisalla katodisädekokeellaan, että katodilta lähtevä säteily koostuikin atomia vielä pienemmistä negatiivisesti varautuneista hiukkasista, ”corpuscle”:ista, joita Stoney nimitti elektroneiksi. Thomsonin atomimallissa atomit koostuivat positiivisesta aineksesta, jonka sisällä elektronit olivat, mistä nimitys rusinakakku. ”Corpuscle”:t muodostivat yhdessä positiivisen aineksen kanssa sähköisesti neutraalin tasapainotilan.

1909 Rutherfordin atomimalli

Uusiseelantilainen Ernest Rutherford onnistui yhdessä Hans Geigerin kanssa luomaan alpha-säteilyä, ”kanavapartikkeleita”, joilla hän pommitti ohutta kultakalvoa. Hän huomasi, että suurin osa alpha-säteilystä läpäisi kulta-atomit mutta pieni osa säteilystä heijastui takaisin eri kulmissa. Tämä johti Rutherfordin päätelmään, että atomi koostui suurimmalta osin tyhjästä tilasta, jonka keskellä oli suurimassainen mutta pieni positiivisesti varautunut ydin, jota elektronit kiertävät.

Tutki alla olevan appletin avulla, mitä Rutherfordin sirontakokeessa tapahtui ja mitä Thomsonin rusinakakkumallin mukaan pitäisi tapahtua.

1913 Bohrin atomimalli

Tanskalainen Nils Bohr kehitti atomimallinsa tutkiessaan, miksi kuuma vetykaasu tuottaa vain tietynlaista valoa. Siinä missä tavallisen hehkulampun lanka tuottaa lähes kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia, olivat Gustav Kirchoff ja Robert Bunsen havainneet vuonna 1859, että kuuma vetykaasu tuottaa näkyvän valon aallonpituudella vain punertavaa väriä, joka koostuu tietyistä aallonpituuksista. Näistä voimakkain sijoituu punaisen värin aallonpituudelle ja muut pienemmille aallonpituuksille.

Fig. 8 Vetyatomin näkyvän valon aallonpituudella tuottamaa spektriä kutsutaan Balmerin sarjaksi. Johann Balmer kehitti sarjalle matemaattisen mallin vuonna 1885.

Täten Bohr ehdotti, että elektronit voivat ottaa vastaan vain tiettyjä energioita johtuen siitä, että ne sijaitsevat tietyillä energiatasoilla. Kun näin korkeammalle energiatasolle virittyneet elektronit palaavat matalammalle energiatasolle, se havaitaan kvantittuneiden valonsäteiden, fotonien, muodossa. Bohrin atomimalli loi perustan seuraaville käsityksille atomin elektronirakenteesta:

• Elektronit pyörivät ytimen ympäri kvantittuneilla energiatasoilla, orbitaaleilla.

• Elektronit voivat hypätä energiatasolta toiselle vain tiettyjen sallittujen energiatasojen kautta.

• Elektronit voivat hypätä energiatasolta toiselle vain vastaanottaessaan tai luovuttaessaan tietyn suuruisen energian.

• Elektronien paluu korkeammalta energiatasolta matalammalle näkyy valona, kun elektroni luovuttaa tämän kvantittuneen energian valon muodossa.

• Alkuaineen sähköinen tasapaino perustuu siihen, että elektronit ovat tietyillä energiatasoilla, jotka estävät niiden putoamisen ytimen ympärille.

Bohrin atomiallille on oppikirjassa oma kappaleensa.

1917-1932 Atomin ydin hahmottuu

Teorian ytimessä olevista positiivisista protoneista kehitti Rutherford Hans Geigerin ja Ernest Marsdenin jatkotutkimusten perusteella vuonna 1917. Teoria ytimessä olevista toisista hiukkasista, varauksettomista neutroneista, vahvistui vuonna 1932 James Chadwickin toimesta.

Alla olevaan applettiin on koottu, miten vetyatomia voidaan kuvata eri mallien avulla. Valitse vasemmalta valikosta kohta -Ennustus ja tutki, miten atomallit eroavat toisistaan. Jos appletin käynnistymisessä kestää liian pitkään, voit kokeilla avata sen osoitteesta PhET Interactive Simulations.