Az atom szerkezete

Az anyagok szerkezetének felfedezése lépésről lépésre történt. Ennek a folyamatnak több zsákutcája és tévedése volt, amit ma már megmosolyogtatónak tekintünk, habár ezen elméleteknek is meg volt a szerepe a tudásunk kialakulásában.

Az anyagok szerkezete, és a görög filozófusok

Az anyag felépítéséről már a görögök tudósoknak is volt határozott elképzelésük. Persze őket, mivel elsősorban elméleti alapon jutottak következtetéseikre, inkább filozófusoknak tekinthetjük, de abban az időszakban ez nem volt egymástól elválasztva. Ezen elméletek közül kettőt érdemes kiemelni.

Az egyik Arisztotelész négy elem elmélete, melynek analógiája sok kultúrában megtalálható. Ő minden jelenséget a tűzre, a vízre, a földre és a levegőre vezette vissza. Ennek segítségével sok olyan jelenséget értelmezett, amit ma már nagyon részletesen ismerünk, de az akkori lehetőségek nem tették lehetővé a dolgok kézzel fogható hátterének megfigyelését. Ezen megközelítés kiterjedt az emberi viselkedés, a betegségek és a természeti jelenségekre is.

Ma már néhol megmosolyogni valónak hatnak az evvel kapcsolatos fejtegetései. Például a megfázást a víz és a hideg túlsúlyával magyarázta, s ezért száraz és meleg helyen tartózkodást javasolt terápiaként. Ezen megközelítést azonban nem szabad alul értékelni. Lehet, hogy az anyagok és jelenségek vizsgálatára ezen megközelítésnél van alkalmasabb módszerei a modern tudománynak, de a keleti (indiai, kínai tibeti), és az Andokban élő sámánoknak gyógyító módszerei hasonló elvi alapokon fogalmazódnak meg a mai napig, s az eredményeiket a nyugati tudomány is igazolta.

Az atomfogalom kialakulása

A mai gondolkodásunk kialakulás szempontjából Démokritosznak volt a legnagyobb hatása. Ő azon gondolkodott, ha egy asztalt elkezdjük darabolni, előbb utóbb eljutunk egy olyan pici részhez, amit tovább már nem lehet osztani. Ezen oszthatatlan (a-tomosz) részecskék építik fel az anyagokat, s ezek határozzák meg a tulajdonságaikat (alakjuk és méretük által).

Mivel a tudományos fejlődés, néhány (mező)gazdasági vonatkozású területet kivéve szintre megállt, a kémiai ismeretek bővülése a felvilágosodás koráig nem igazán volt jelentős. Sok anyagot felfedeztek, sok tapasztalat gyűlt össze, de az anyag szerkezetéről érdemben nem tudtak meg többet, mint az ókorban. Ezen (is) sokat lendített az első francia enciklopédiát megelőző tudományos rendszerezés. Bevezették a kémia kísérleteknél a tömegmérést, felfedezték, hogy a kémiai reakcióban (például az égésnél) az anyagok össztömege nem változik, s az azonos anyagok összetétele (függetlenül a származási helytől) azonos.

Ezen tapasztalatokra építve alkotta meg Dalton az XIX. század legelején az atom-elméletét. Három alapvetése, alapgondolata volt, s azok felhasználásával vezette le az akkor ismert jelenségeket:

  1. Minden kémiai elem kis, oszthatatlan részekből áll, úgynevezett atomokból. Kémia változás során atomok nem hozhatók létre, s nem pusztíthatók el.
  2. Egy elem atomjainak tömege (súlya) és más tulajdonságai megegyeznek, de a különböző elemek atomjainak tulajdonságai eltérnek.
  3. A vegyületeket különböző elemek alkotják, kis egész számok arányában.

Ennek a megközelítésnek sok hiányossága van, de a mindennapi gyakorlat zömében ennek a szellemében kezeli az atomokat ma is. Ennek oka, hogy a radiokémiai átalakulások (ld. Az atommag című fejezetet) nem szokták érdemben befolyásolni a mindennap előforduló reakciókat, illetve ha szükséges, avval külön foglalkoznak. Másrészt a különböző izotópok tömegbeli eltérését a relatív atomtömeggel szokták érvényre juttatni, ami az izotópok aránya alapján meghatározott átlagos atomtömeg.

A periódusos rendszer

Az atomszerkezet alapos megismerése egy tudományos jóslással kezdődött. Felfedeztek olyan elem hármasokat, melyeknek a kémiai viselkedése hasonló, és a legkisebb és legnagyobb tömegű elem tömegének átlaga megadta a középső tömegűét (közelítőleg). Ezeket felhasználva Dimitrij Mengyelejev kitalálta a periódus rendszert. (Az akkori ismeretanyag kevés volt ahhoz, hogy az állítsuk, hogy feltalálta.)

Több könyvben Mengyelejev nevét „Mendelejev”-nek írják, ami hibás, de nem ok nélküli. A nem latin írású neveknél a kiejtés szerinti átírást kell alkalmazni, ezért kell gy-vel írni a nevét. Az eredeti orosz írásmódban ugyan „dé” (д) betű (Менделеев) szerepel, de az orosz nyelv rendszere miatt a д betű „gyé”-nek ejtendő!

Nagyon egyszerű módszert követett. Az addig ismert elemeket a tömegük szerint sorba állította, majd az egészet úgy írta egy függőleges elrendezésű táblázatba, hogy a hasonló tulajdonságú elemek egymás mellé kerüljenek. Ebben az elrendezésben felfedezte, hogy több elem helyét is ki kell hagyni, hogy a hasonló tulajdonságú elemek egymás mellé kerülhessenek (például nem talált elemet az alumínium és a szilícium alá sem).

PeriodicTableOriginal

 

Arra is rájött, hogy ugyan a tellúr és a jód közül, a tömegeik alapján a tellúr lenne később a sorban, de a tulajdonságaik miatt a sorrendjüket meg kell cserélni. A hiányzó elemek tulajdonságait meghatározta (megjósolta), s amikor a galliumot felfedezték, s tulajdonságai egyeztek az alumínium mellett megjósolt elem értékeivel, a rendszert elfogadták. Csak később derült ki, az atomszerkezet alaposabb megismerésekor, mennyire jól használható az atomok viselkedésének leírásához is ez a fajta táblázatos elrendezés.

Később sok, az eredeti formától eltérő periodikus rendszer is kialakult a különböző igényekhez igazodva. A mindennapi életben az alábbi elrendezésűt szoktuk általában használni:

m_46_Periodusos_rendszer_no

A periódus rendszer részletes értelmezése az elektronszerkezet megismerése kapcsán érthető meg igazán.

Elemi részecskék felfedezése

Az atomszerkezet kutatásának következő lépése az atomoknál kisebb részecskék felfedezése volt. Ebben az időszakban fedezték fel az elektront (Thomson), a Röntgen-sugárzást, és a többi radioaktív sugárzást. Ezek után alkotta meg Thomson a híres puding elméletet, hogy az atomokat pozitív és negatív töltések építik fel vegyesen, s a töltéssel rendelkező részecskék úgy helyezkednek el, mint mazsola a sűrű pudingban.

Ernst Rutherford kísérleteivel rengeteget tett az atommagok szerkezetének meghatározásáért. Egyik első kísérletében arra kereste a választ, hogy az atomok milyen tömören helyezkednek el az anyagokban. Készített egy vékony aranyfóliát, s azt alfa-részecskékkel (lásd az atommag c. részt) bombázta. Legnagyobb meglepetésére a részecskék zöme akadály nélkül átrepült az aranylemezen, csupán pár százalék tért ki, azok is csak meghatározott irányokban.

A vékony lemezt úgy hozta létre, hogy üveglapra elpárologtatott aranyat vitt fel, és az üveget ezután lemaratta hidrogén-fluoriddal (mely egy reakcióval feloldja az üveget). Evvel olyan, pár atomnyi vastagságú réteget hozott létre, amivel a belső szerkezet vizsgálható. Az eljárást, amikor egy tárgyat (mondjuk egy kristályt) adott energiájú részecskékkel bombáznak, és a visszaverődés irányaiból a belső szerkezetre következtetnek, diffrakciónak hívják.

Ma már elsősorban nem az alfa-sugarakat használják erre, hanem róval egyszerűbben előállítható  röntgen-sugarakat, de az eljárás érdemben nem változott. A mérés eredménye azon részecskékből adódik, melyek nem jutnak közvetlenül keresztül, hanem valamennyire eltérnek. A jellegzetes kitérő vonalak irányai a mérő részecske energiájától és a bombázott test belső szerkezetétől függ.

Ezen tapasztalatok felhasználva Rutherford azt mondta, hogy az atomok zömmel üresek, középen van egy nagyon kisméretű atommag, és körülötte helyezkednek el az elektronok.

Az arányok jól érzékelteti az a hasonlat, ha az atommag méretét egy centinek vesszük, akkor az atom mérete 100 méter.

Az atommag szerkezetének vizsgálata nem volt egyszerű. Ennek fő oka, hogy normál körülmények között az atommagot az elektronok veszik körül. A radioaktív sugárzások hatására viszont olyan átalakulások mennek végre, amivel kimutathatóak a fő összetevőik.

Felfedezték, hogy az atommagot két nagy részecske építi fel. Ha az alfa részecskéket nem vékony aranyfóliával, hanem nitrogénatomokkal ütköztetjük, akkor abból kilépő részecske szerkezete teljesen megegyezik a hidrogén szerkezetével. Evvel megtalálták a protont, az atommag egyik összetevőjét (ez is Rutherford nevéhez fűződik).

proton_felfedezése

Ha viszont az uránnál nehezebb polónium atomokból kilépő (nagy energiájú) alfa-részecskéket könnyű elemekkel (berilliummal, bórral vagy lítiummal) ütköztetjük, akkor nagy áthatoló képességű részecskék lépnek ki, melyeknek nincs töltése (ő volt a neutron).

neutron_felfedezése

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.