Atomiteorialla – eli uskomuksella, että kaikki aine koostuu pienistä, jakamattomista alkuaineista – on hyvin syvät juuret. Alun perin teoria esiintyi tuhansia vuosia sitten kreikkalaisissa ja intialaisissa teksteissä filosofisena ajatuksena. Se omaksuttiin tieteellisesti kuitenkin vasta 1800-luvulla, jolloin näyttöön perustuva lähestymistapa alkoi paljastaa, miltä atomimalli näytti.

tähän aikaan John Dalton, englantilainen kemisti, meteorologi ja fyysikko, aloitti sarjan kokeita, jotka huipentuisivat siihen, että hän ehdottaisi atomikoostumusten teoriaa – joka sen jälkeen tulisi tunnetuksi Daltonin Atomiteoriana – josta tulisi yksi modernin fysiikan ja kemian kulmakivistä.

atomien vuorovaikutusmallin luomisen lisäksi John Daltonin ansioksi luetaan myös lakien kehittäminen kaasujen toiminnan ymmärtämiseksi. Aikanaan tämä sai hänet päättelemään asioita atomien keskinäisestä vuorovaikutuksesta, atomien painosta ja suunnittelemaan lakeja, jotka vahvistavat atomiteorian tieteelliseksi tieteenalaksi.

Daltonin kaasulait:

Dalton keksi atomiteoriansa kaasuja koskevan tutkimuksensa tuloksena. Tämä alkoi vuonna 1800, jolloin Daltonista tuli Manchesterin kirjallisen ja filosofisen seuran sihteeri. Vaikka siellä, Dalton alkoi esittää sarjan esseitä, jotka hahmottelivat hänen kokeitaan perustuslaki sekakaasujen, mukaan lukien paine höyryn ja muiden höyryjen eri lämpötiloissa, haihtumista. ja lämpölaajeneminen kaasuja.

esseissään Dalton kuvasi kokeita, joissa hän pyrki selvittämään höyryn paineen eri kohdissa välillä 0-100 °C (32-212 °F). Kuudesta eri nesteestä tekemiensä havaintojen perusteella Dalton päätteli, että höyrynpaineen vaihtelu kaikille nesteille oli ekvivalentti, sama lämpötilan vaihtelu ja sama höyry missä tahansa paineessa.

hän päätteli myös, että kaikki samassa paineessa olevat elastiset nesteet laajenevat yhtä paljon, kun lämpöä käytetään. Lisäksi hän huomautti, että mitä tahansa elohopean laajenemista (eli havaittu lämpötilan nousu elohopealämpömittarilla), että vastaava ilman laajeneminen on suhteellisesti pienempi, sitä korkeampi lämpötila menee.

tästä tuli perusta Daltonin lain (aka. Daltonin osapaineiden laki), jonka mukaan reagoimattomien kaasujen seoksessa kokonaispaine on yhtä suuri kuin yksittäisten kaasujen osapaineiden summa.

Daltonin atomiteoria:

tämän kaasututkimuksen yhteydessä Dalton havaitsi myös, että tiettyjä kaasuja voitiin yhdistää vain tietyissä suhteissa, vaikka kahdella eri yhdisteellä oli sama yhteinen alkuaine tai alkuaineryhmä.

nämä kokeet perustuivat kahteen 1700-luvun lopulla syntyneeseen teoriaan, jotka käsittelivät kemiallisia reaktioita. Ensimmäinen oli Antoine Lavoisierin vuonna 1789 muotoilema massan säilymislaki, jonka mukaan kokonaismassa kemiallisessa reaktiossa pysyy vakiona eli reaktanttien massa on sama kuin tuotteiden.

toinen oli määräisten mittasuhteiden laki, jonka ensimmäisenä todisti ranskalainen kemisti Joseph Louis Proust vuonna 1799. Tämän lain mukaan jos yhdiste hajotetaan sen alkuaineiksi, niin aineosien massoilla on aina samat mittasuhteet riippumatta alkuperäisen aineen määrästä tai lähteestä.

näitä lakeja tutkiessaan ja niiden pohjalta Dalton kehitti moniosaisen lakinsa. Tämän lain mukaan jos kaksi alkuainetta voidaan yhdistää muodostaen useita mahdollisia yhdisteitä, niin toisen alkuaineen massojen suhteet, jotka yhdistyvät ensimmäisen alkuaineen kiinteään massaan, ovat pienten kokonaislukujen suhteet.

toisin sanoen alkuaineet yhdistyvät atomitasolla kiinteillä suhteilla, jotka luonnollisesti eroavat yhdistettävien yhdisteiden perusteella niiden yksilöllisten atomipainojen vuoksi. Löydöksistä tuli perusta Daltonin Atomilaeille eli mallille, joka keskittyy viiteen peruslauseeseen. T

tila, jonka mukaan alkuaineet puhtaimmillaan koostuvat atomeiksi kutsutuista hiukkasista; että tietyn alkuaineen atomit ovat kaikki samanlaisia viimeiseen atomiin saakka; että eri alkuaineiden atomit voidaan erottaa toisistaan niiden atomipainojen perusteella; että alkuaineiden atomit yhtyvät muodostaen kemiallisia yhdisteitä; ja että atomeja ei voida luoda eikä tuhota kemiallisessa reaktiossa, vain ryhmittymä muuttuu.

Dalton uskoi myös atomiteorian voivan selittää, miksi vesi absorboi eri kaasuja eri suhteissa – hän esimerkiksi havaitsi, että vesi absorboi hiilidioksidia paljon paremmin kuin se absorboi typpeä. Dalton arveli tämän johtuvan kaasujen vastaavien hiukkasten massaeroista ja monimutkaisuudesta.

itse asiassa juuri tämän havainnon uskotaan olevan ensimmäinen kerta, kun Dalton vihjasi atomien oletetusta olemassaolosta. Vuonna 1805 ensi kerran julkaistussa asiakirjassa, joka käsitteli kaasun imeytymistä veteen, hän kirjoitti:

” miksi vesi ei myönnä bulk of every kind of gas alike? Olen harkinnut tätä kysymystä asianmukaisesti, ja vaikka en pysty tyydyttämään itseäni täysin, olen lähes vakuuttunut siitä, että tilanne riippuu useiden kaasujen perimmäisten hiukkasten painosta ja lukumäärästä.”

Dalton esitti, että jokainen alkuaine koostuu yhden ainoan, ainutlaatuisen tyypin atomeista, ja vaikka niitä ei voida muuttaa tai tuhota kemiallisin keinoin, ne voivat yhdistyä muodostaen monimutkaisempia rakenteita (eli kemiallisia yhdisteitä). Tämä oli ensimmäinen todella tieteellinen teoria atomista, sillä Dalton teki johtopäätöksensä kokeilemalla ja tutkimalla tuloksia empiirisesti.

Daltonit ja atomipainot:

Daltonit alkoivat myös tutkia atomipainoja niiden yhdistämien massasuhteiden perusteella, jolloin standardiksi otettiin vetyatomi. Daltonin toimintaa rajoitti kuitenkin hänen laboratoriovälineidensä karkeus ja se, ettei hän kuvitellut tiettyjen alkuaineiden atomien olevan olemassa molekyylimuodossa, kuten puhtaassa hapessa (O2).

hän uskoi myös, että yksinkertaisin yhdiste minkä tahansa kahden alkuaineen välillä on aina yksi atomi kummassakin. Tätä kuvaa parhaiten se, miten hän ajatteli veden kemiallisen kaavan olevan HO, ei H2O.

vuonna 1803 Dalton esitti suullisesti ensimmäisen luettelonsa useiden aineiden suhteellisista atomipainoista. Tämä paperi julkaistiin vuonna 1805, mutta hän ei keskustella siellä tarkalleen, miten hän sai nämä luvut. Vuonna 1807 hänen tuttavansa Thomas Thomson paljasti hänen menetelmänsä Thomsonin oppikirjan kolmannessa painoksessa a system of Chemistry. Lopulta Dalton julkaisi koko kertomuksen omassa oppikirjassaan A New System of Chemical Philosophy vuosina 1808 ja 1810.

tieteelliset puutteet:

Daltonin teorian suurin virhe – ts. sekä molekyylien että atomien olemassaolon korjasi myöhemmin periaatteessa Amedeo Avogadro vuonna 1811. Avogadro ehdotti, että yhtä suuret tilavuudet mitä tahansa kahta kaasua, samassa lämpötilassa ja paineessa, sisältävät yhtä monta molekyyliä. Toisin sanoen kaasun hiukkasten massa ei vaikuta sen tilavuuteen.

Avogadron lain avulla hän pystyi päättelemään lukuisten kaasujen diatomisen luonteen tutkimalla tilavuuksia, joilla ne reagoivat. Näin Avogadro kykeni tarjoamaan tarkempia arvioita hapen ja monien muiden alkuaineiden atomimassasta ja teki selvän eron molekyylien ja atomien välillä. Valitettavasti nämä ja muut löydöt sekä kiistivät että jalostivat Daltonin teorioita.

esimerkiksi tutkijat ovat sittemmin havainneet, että atomi – jota aikoinaan pidettiin Materian pienimpänä osana – voidaan itse asiassa jakaa vielä pienempiin alkeishiukkasiin. Ja kun Dalton käsitti atomit yhdeksi kokonaisuudeksi, jossa ei ollut eroa positiivisten, negatiivisten ja neutraalien varausten välillä, J.J. Thomson, Ernest Rutherford ja Neils Bohr paljastivat atomille monimutkaisemman rakenteen.

nämä teoriat vahvistettiin myöhemmin elektronimikroskoopilla tehtyjen havaintojen avulla. Tiedämme myös, että atomipaino on itse atomien rakenteen tuote. Näin ollen Daltonin atomimallia puhtaimmillaan pidetään nykyään pätevänä vain kemiallisiin reaktioihin. Tämä ei kuitenkaan vähennä Daltonin panosta moderniin tieteeseen.

ennen aikaansa atomi oli vain antiikin ajalta periytyvä filosofinen konstruktio. Daltonin uraauurtava työ ei ainoastaan tehnyt teoriasta todellisuutta, vaan johti moniin muihin löytöihin, kuten Einsteinin suhteellisuusteoriaan ja Planckin kvanttiteoriaan – kahteen tutkimusalaan, jotka muodostavat perustan nykyiselle käsityksellemme kosmoksesta.

olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita atomiteoriasta täällä universumissa tänään. Tässä on yksi atomien määrä maailmankaikkeudessa, mitkä ovat atomin osat? Kuka Demokritos Oli? Bohrin atomimalli, ja mikä on Luumuvanukkaiden malli?

Jos haluat tietää lisää Daltonin mallista, tutustu Central Queenslandin yliopiston artikkeliin Daltonin Atomimallista.

tähtinäyttelijät ovat tallentaneet aiheesta monia mielenkiintoisia jaksoja. Check them out-Episode 138: Quantum Mechanics, Episode 378: Rutherford and Atoms, and Episode 392: Perusmalli-Intro.