Vad trodde man förr?

Foto: Maria Lindqvist

Ordet atom är grekiska och betyder odelbar. Man ansåg ursprungligen att atomen var den minsta enhet som kunde existera, men nu vet man att atomen i sin tur består av sk elementarpartiklar,protoner, neutroner och elektroner. Man vet också idag att även elementarpartiklarna är uppdelade i mindre delar.

Det finns i naturen 92 olika grundämnen.  Kemiska föreningar, ämnen som är föreningar av minst två grundämnen, finns det däremot miljontals av.

Hur började det?

Under 600-talet f. Kr började filosofins storhetstid i det gamla Grekland. De ledande filosoferna ville finna generella principer bakom naturens processer som hur världen uppstått, vad den består av, hur saker och ting förändras, hur universum ser ut som helhet, varför stjärnor finns osv.

Det som skilde grekerna från tidigare folk, som till exempel de gamla flodkulturerna, var att de försökte ta reda på saker av nyfikenhet. Tidigare hade man försökt ta reda på sådant som man kunde ha praktisk nytta av. Man frågade sig aldrig varför universum fanns, varför stjärnor fanns, man bara iakttog.

Urämnet

För att få svar på hur all materia var uppbyggd började man utforma teorier om ett ”urämne” som allting härstammade från, och som genom processer omvandlades till andra ämnen och utgjorde universums struktur. Thales (omkr. 600 f.Kr) gjorde gällande att vattnet var urämnet. Anaximander (omkr. 611-574 f.Kr) vägrade däremot att identifiera urämnet med något i naturen förekommande material. Precis som vatten kunde omvandlas till is eller ånga, kunde detta urämne, enligt Anaximander, omvandlas till jord, salt, vatten, guld osv genom inre förändringar.

Anaximenes (ca.588-526 f.Kr) ansåg att uften var urämnet, som genom förtätnings- och förtunningsprocesser omvandlades till andra ämnen.

Empedokles (omkr. 450 f.Kr) introducerade de ”fyra elementen”, som var jord, vatten, luft och eld. Av dessa är hela världen uppbyggd, alla ämnen är blandningar av de fyra elementen. Det som styr de fyra elementens omvandling till andra ämnen är ”kärleken” (attraktion) och ”hatet” (repulsion) till varandra. Kärleken sammanblandar elementen och hatet skiljer dem åt.

Första atomteorin

Leukippos (omkr. 500 f.Kr) och dennes lärjunge Demokritos (460-370 f.Kr) valde att angripa problemet på ett annat sätt. De hade en hypotes att materian bestod av små odelbara enheter – atomer. Genom att haka i varandra ansåg man att de bildade större kroppar och mängden olika ämnen kunde förklaras genom atomernas olika kombinationer, omgrupperingar och rörelser i rummet.

.Atomläran nådde dock ingen framgång. Demokritos var materialist och förklarade att allting består av atomer. Detta gällde även själen som alltså inte kunde leva vidare efter döden. Detta accepterades inte av någon som trodde på en gud eller ett högsta väsen och där människans själ skulle leva vidare efter döden.

Platon ( 427-337 f.kr.)

Platon gjorde ett försök att förena materieteorin med atomteorin. Han utgick från de fyra elementen jord, vatten, luft och eld och införde också ett femte element som han kallade ”eter”. Platon tilldelade elementens atomer olika form och upphävde atomernas oförstörbarhet, eller rättare sagt de geometriska figurer, de sk ”platonska kropparna” som bestämmer deras former.

Jord  Kubens  6 kvadrater

Vatten  Ikosaederns  20 liksidiga trianglar

Luft  Oktaederns  8 liksidiga trianglar

Eld  Tetraederns  4 liksidiga trianglar

Enligt de former som elementens atomer tilldelats skulle vattenatomen, som har ikosaederns form enligt Platon, delas i två oktaedrar, två luftatomer och en tetraeder, en eldatom och kan beskrivas enligt formeln:

1 vattenatom 2 luftatomer + 1 eldatom

Enligt samma princip skulle också 1 eldatom och två luftatomer kunna sättas ihop till en vattenatom.

2 luftatomer + 1 eldatom 1 vattenatom

Platons lärljunge Aristoteles (384-322 f.Kr) fick det sista ordet bland de grekiska filosoferna. Han stannade inför Empedokles elementlära och Platons femte element, men ansåg inte att det rörde sig om atomer. Enkelt uttryckt kan man säga att Aristoteles ansåg att det som verkligen existerade var de enskilda tingen som består av materia och det är dess form som gör tinget till vad det är. Enligt Demokritos var det bara atomerna som var verkliga – de olika tingen var bara tillfälligt sammansatta av atomer.

Dalton och atomteorin

Aristoteles ansågs länge, särskilt under medeltiden, som en auktoritet nästan inom alla vetenskapsområden. Elementläran kom att gälla ända fram till 1700-talet då man successivt övergick till atomläran. Det avgörande steget togs av engelsmannen John Dalton (1766-1844) som kan betraktas som den moderna atomteorins grundläggare. Dalton framförde 1808 teorin att:

  • Materiens yttersta beståndsdelar består av små odelbara atomer.
  • Alla atomer av ett grundämne har samma egenskaper, t ex storlek, form och massa.
  • Föreningar består av olika slag av atomer, som på ett lagbundet sätt binder sig till varandra i små enkla grupper.
  • Kemiska reaktioner innebär att atomer binds samman på nytt sätt.

Atommodellen ändrasatomen är delbar

J J Thomson (1856-1940) gjorde 1897 ett experiment där han lyckades identifiera elektronen. Thomson använde sig av ett urladdningsrör, ett glasrör som innehåller en så låg koncentration att laddade partiklar som rör sig i röret inte kolliderar med gasmolekyler. Urladdningsröret laddades upp så att spänning uppstod mellan två plattor som fanns utanför röret. Man fann då att ett slags partiklar (”katodstrålar”) rörde sig från minuspol till pluspol. Partiklarna som var negativt laddade och utgjorde delar av atomen kallades elektroner.

Det gjordes sedan flera försök att skapa en modell av hur plus- och minusladdningarna var fördelade i atomen. År 1911 gjorde Ernest Rutherford (1871-1937) ett experiment med en guldfolie som endast var ca 2000 atomer tjock. Guldfolien besköts med alfapartiklar som är positivt laddade atomkärnor av helium. De flesta alfapartiklarna gick rakt igenom folien och Rutherford drog den slutsatsen att atomer till största delen är tomrum.

Men några få alfapartiklar vek åt sidan och några rent av reflekterades. Eftersom så få alfapartiklar reflekterades måste det bero på att både massan och den positiva laddningen i guldatomen är samlad i en mycket liten kärna. Slutsatsen blev den att atomen har en positivt laddad atomkärna, där största delen av atommassan är samlad, samt negativt laddade elektroner runt kärnan. Atomkärnans laddning är lika med summan av elektronernas laddningar. Man lyckades också i början av 1900-talet experimentellt påvisa kärnans partiklar, dvs protonen och, mer än 20 år senare neutronen.

Bohrs atommodell

Det blev den danske fysikern Niels Bohr (1885-1962) som tog fram den atommodell som ligger till grund för hur vi idag anser att en atom ser ut. Det nya i Bohrs atommodell bestod i att elektronerna kretsar runt kärnan i cirkulära banor ungefär som planeterna kretsar kring solen. Den positivt laddade kärnan har elektriskt attraherande kraft på den negativt laddade elektronen ungefär som gravitationens funktion i solsystemet.

 

Niels Bohr

Bohr antog också att endast vissa banor är tillåtna och att elektroner som kretsar i sådana banor inte strålar ut någon energi. Vidare antog Bohr att ljus alstras när en elektron rör sig från en yttre bana till en inre. Varje elektron har en viss energi och när den byter från en bana till en annan förändras dess energi med ett visst belopp, ett energikvantum. Modellen kunde dock inte förklara varför inte atomen till slut kollapsade. Den negativt laddade elektronen borde dra sig mot den positivt laddade kärnan. Niels Bohr flydde 1943 från Danmark till USA där ha hjälpte till att utveckla atombomben.

Erwin Schrödinger (1887-1961) kunde med sin vågekvation matematiskt beskriva elektronens uppträdande. Den banradie som Bohr hade angett motsvarar i Schrödingers modell det avstånd på vilket det är störst sannolikhet att träffa på elektronen. W K Heisenbergs (1901-1976) osäkerhetsrelation visade att en partikels läge och hastighet inte kunde bestämmas samtidigt för en så liten partikel som en elektron. Man kan endast ange sannolikheten att finna en elektron på ett visst avstånd från kärnan. Det är då lättare att föreställa sig elektronerna som ett moln av negativ laddning, ett elektronmoln. Detta utgör grunden för vårt nuvarande sätt att beskriva atomen.

Ingen vet dock hur en framtida atommodell kommer att se ut. Enligt modern forskning består varje proton och neutron av sk kvarkar. Vem vet, kanske består kvarkarna av ännu mindre små enheter. Ingen känner atomens innersta gräns.

Presentation: De fyra elementen

Film – Atomer och atommodeller – Obs kräver inloggning på SLI

 Film-  Niels Bohr och hans atommodell – Obs kräver inloggning på SLI

 

 

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *