De atoomtheorie - dat wil zeggen de overtuiging dat alle materie is samengesteld uit minuscule, ondeelbare elementen - heeft zeer diepe wortels. Het werd echter pas in de 19e eeuw wetenschappelijk omarmd, toen een evidence-based benadering begon te onthullen hoe het atoommodel eruit zag.
Het was in die tijd dat John Dalton, een Engelse chemicus, meteoroloog en natuurkundige, een reeks experimenten begon die zouden uitmonden in het voorstellen van de theorie van atomaire composities - die later bekend zou worden als Dalton's Atomic Theory - die een van de hoekstenen van de moderne natuurkunde en scheikunde.
Naast het creëren van een model voor atoominteracties, wordt John Dalton ook gecrediteerd met het ontwikkelen van wetten om te begrijpen hoe gassen werken. Na verloop van tijd zou dit hem ertoe brengen dingen te concluderen over de interactie tussen atomen, het gewicht van atomen en om wetten te ontwerpen die de atoomtheorie als wetenschappelijke discipline vestigen.
Dalton's gaswetten:
Dalton kwam met zijn atoomtheorie als resultaat van zijn onderzoek naar gassen. Dit begon in 1800, toen Dalton secretaris werd van de Manchester Literary and Philosophical Society. Terwijl hij daar was, begon Dalton een reeks essays in te dienen waarin hij zijn experimenten schetste over de samenstelling van gemengde gassen, waaronder de druk van stoom en andere dampen bij verschillende temperaturen, bij verdamping. en over de thermische uitzetting van gassen.
In zijn essays beschreef Dalton experimenten waarin hij de stoomdruk op verschillende punten tussen 0 en 100 ° C (32 en 212 ° F) probeerde vast te stellen. Op basis van zijn waarnemingen van zes verschillende vloeistoffen concludeerde Dalton dat de variatie van de dampspanning voor alle vloeistoffen equivalent was, voor dezelfde temperatuurvariatie en dezelfde damp van elke gegeven druk.
Hij concludeerde ook dat alle elastische vloeistoffen onder dezelfde druk gelijkmatig uitzetten wanneer warmte wordt toegepast. Verder merkte hij op dat voor elke gegeven expansie van kwik (d.w.z. opgemerkt temperatuurstijging met een kwikthermometer), dat de overeenkomstige expansie van lucht proportioneel minder is, hoe hoger de temperatuur gaat.
Dit werd de basis als de wet van Dalton (ook bekend als de wet van partiële drukken van Dalton), die stelde dat in een mengsel van niet-reagerende gassen de uitgeoefende totale druk gelijk is aan de som van de partiële drukken van de individuele gassen.
Dalton's atoomtheorie:
Tijdens dit onderzoek naar gassen ontdekte Dalton ook dat bepaalde gassen alleen in bepaalde verhoudingen konden worden gecombineerd, zelfs als twee verschillende verbindingen hetzelfde gemeenschappelijke element of dezelfde groep elementen deelden.
Deze experimenten bouwden voort op twee theorieën die tegen het einde van de 18e eeuw waren ontstaan en die te maken hadden met chemische reacties. De eerste was de wet van behoud van massa, opgesteld door Antoine Lavoisier in 1789, die stelt dat de totale massa bij een chemische reactie constant blijft - dat wil zeggen dat de reactanten dezelfde massa hebben als de producten.
De tweede was de wet van bepaalde verhoudingen, voor het eerst bewezen door de Franse chemicus Joseph Louis Proust in 1799. Deze wet stelt dat als een verbinding wordt opgesplitst in zijn samenstellende elementen, de massa van de samenstellende delen altijd dezelfde verhoudingen zal hebben, ongeacht van de hoeveelheid of bron van de oorspronkelijke stof.
Door deze wetten te bestuderen en erop voort te bouwen, ontwikkelde Dalton zijn wet van meerdere proporties. Deze wet stelt dat als twee elementen kunnen worden gecombineerd om een aantal mogelijke verbindingen te vormen, de verhoudingen van de massa's van het tweede element, die combineren met een vaste massa van het eerste element, verhoudingen zullen zijn van kleine hele getallen.
Met andere woorden, elementen combineren op atomair niveau in vaste verhoudingen die van nature verschillen op basis van de verbindingen die worden gecombineerd, vanwege hun unieke atoomgewichten. De bevindingen werden de basis van Dalton's Atomic Laws or Model, dat zich richt op vijf basisstellingen. T
De toestand dat elementen in hun puurste staat bestaan uit deeltjes die atomen worden genoemd; dat atomen van een specifiek element allemaal hetzelfde zijn, tot aan het allerlaatste atoom; dat atomen van verschillende elementen van elkaar kunnen worden onderscheiden door hun atoomgewichten; dat atomen van elementen zich verenigen om chemische verbindingen te vormen; en dat atomen niet kunnen worden gemaakt of vernietigd in een chemische reactie, alleen de groep verandert ooit.
Dalton geloofde ook dat de atoomtheorie zou kunnen verklaren waarom water verschillende gassen in verschillende verhoudingen absorbeerde - hij ontdekte bijvoorbeeld dat water veel beter kooldioxide absorbeerde dan dat het stikstof absorbeerde. Dalton veronderstelde dat dit te wijten was aan de verschillen in massa en complexiteit van de respectieve deeltjes van de gassen.
In feite was het juist deze observatie waarvan wordt aangenomen dat het de eerste keer was dat Dalton zinspeelde op het veronderstelde bestaan van atomen. In de paper over gasabsorptie in water, die voor het eerst werd gepubliceerd in 1805, schreef hij:
'Waarom laat water niet het grootste deel van elk soort gas toe? Deze vraag heb ik naar behoren overwogen en hoewel ik mezelf niet volledig kan bevredigen, ben ik er bijna van overtuigd dat de omstandigheid afhangt van het gewicht en het aantal uiteindelijke deeltjes van de verschillende gassen.”
Dalton stelde voor dat elk chemisch element is samengesteld uit atomen van een enkel, uniek type, en hoewel ze niet kunnen worden veranderd of vernietigd door chemische middelen, kunnen ze combineren tot complexere structuren (d.w.z. chemische verbindingen). Dit was de eerste echt wetenschappelijke theorie van het atoom, aangezien Dalton zijn conclusies bereikte door de resultaten op empirische wijze te experimenteren en te onderzoeken.
Dalton en atoomgewichten:
Dalton begon ook atoomgewichten te bestuderen op basis van de massaverhoudingen waarin ze gecombineerd werden, met het waterstofatoom als standaard. Dalton werd echter beperkt door de grofheid van zijn laboratoriuminstrumenten en het feit dat hij niet dacht dat de atomen van bepaalde elementen in moleculaire vorm bestaan, zoals pure zuurstof (O2).
Hij was ook van mening dat de eenvoudigste verbinding tussen twee willekeurige elementen altijd één atoom is. Dit werd het best geïllustreerd door hoe hij dacht dat de chemische formule voor water HO was, niet H2O.
In 1803 presenteerde Dalton mondeling zijn eerste lijst van relatieve atoomgewichten voor een aantal stoffen. Dit document werd gepubliceerd in 1805, maar hij besprak daar niet precies hoe hij deze cijfers kreeg. In 1807 werd zijn methode onthuld door zijn kennis Thomas Thomson, in de derde editie van Thomson's leerboek, Een systeem van chemie. Ten slotte publiceerde Dalton een volledig verslag in zijn eigen leerboek, Een nieuw systeem van chemische filosofie, in 1808 en 1810.
Wetenschappelijke gebreken:
De grootste fout in de theorie van Dalton - het bestaan van zowel moleculen als atomen - werd later in 1811 in principe gecorrigeerd door Amedeo Avogadro. Avogadro stelde voor dat gelijke volumes van elke twee gassen, bij gelijke temperatuur en druk, gelijke aantallen moleculen bevatten. Met andere woorden, de massa van de deeltjes van een gas heeft geen invloed op het volume dat het inneemt.
Dankzij de wet van Avogadro kon hij de diatomische aard van talrijke gassen afleiden door de volumes te bestuderen waarop ze reageerden. Zo kon Avogadro nauwkeuriger schattingen maken van de atoommassa van zuurstof en verschillende andere elementen, en maakte hij een duidelijk onderscheid tussen moleculen en atomen. Helaas, deze en andere ontdekkingen waren in tegenspraak met en verfijnden de theorieën van Dalton.
Zo hebben wetenschappers sindsdien ontdekt dat het atoom - ooit gedacht als het kleinste deel van de materie - in feite kan worden onderverdeeld in nog kleinere elementaire deeltjes. En terwijl Dalton werd opgevat als atomen als een enkele entiteit zonder scheiding tussen positieve, negatieve en neutrale ladingen, volgende experimenten door J.J. Thomson, Ernest Rutherford en Neils Bohr onthulden een complexere structuur van het atoom.
Deze theorieën werden later gevalideerd door waarnemingen met de elektronenmicroscoop. We weten ook dat atoomgewicht een product is van de structuur van de atomen zelf. Daarom wordt het Atomic Model van Dalton, in zijn puurste vorm, nu alleen als geldig beschouwd voor chemische reacties. Dit doet echter niets af aan de bijdrage van Dalton aan de moderne wetenschap.
Vóór zijn tijd was het atoom niet veel meer dan een filosofisch construct dat uit de klassieke oudheid was overgegaan. Dalton's baanbrekende werk maakte de theorie niet alleen werkelijkheid, maar leidde ook tot vele andere ontdekkingen, zoals Einsteins relativiteitstheorie en de kwantumtheorie van Planck - twee studiegebieden die de basis vormen van ons moderne begrip van de kosmos.
We hebben veel interessante artikelen over atoomtheorie geschreven hier bij Space Magazine. Hier is er een over het aantal atomen in het universum, wat zijn de delen van het atoom ?, wie was Democritus ?, het atoommodel van Bohr en wat is het pruimpuddingsmodel?
Als je meer wilt weten over het model van Dalton, bekijk dan het artikel van de Central Queensland University over het Atomic-model van Dalton.
Astronomy Cast heeft veel interessante afleveringen over dit onderwerp opgenomen. Bekijk ze eens - Aflevering 138: Quantum Mechanics, Aflevering 378: Rutherford and Atoms en Aflevering 392: The Standard Model - Intro.
