ATOMI JA ELEKTRONI HYPOTEETTISINA JA TODENNETTUINA HIUKKASINA Fysiikan täydennyskoulutuskurssi H. Saarikko 6.6.2011 1
Antiikin Kreikan atomihypoteesi Reilu 2000 vuotta sitten filosofi Platon esitteli teoksessaan Timaios eri alkuaineiden atomeja. Hän yhdisti jokaiseen klassiseen alkuaineeseen maahan, ilmaan, tuleen ja veteen säännöllisen monikulmion, niin kutsutun Platonin kappaleeen, niin että maata vastasi kuutio, ilmaa oktaedri, vettä ikosaedri ja tulta tetraedri. Platon ajatteli jokaisen alkuaineen koostuvan omanlaisistaan atomeista, kuten nykyteoriatkin olettavat.
3
Leukippos Leukippos (muinaiskreikaksi Λεύκιππος, 400-luku eaa.) oli kreikkalainen esisokraatikkoihin lukeutunut filosofi. Hän on atomismin isä. Atomismin mukaan kaikki maailmankaikkeudessa koostuu katoamattomista, jakamattomista elementeistä, joita kutsutaan atomeiksi. Leukippos syntyi Miletoksessa tai Abderassa. Jotkut kuitenkin sanovat hänen syntyneen Eleassa, sillä hänen filosofiansa liittyy elealaisten filosofiaan. Hän oli elealaisen Zenonin, Empedokleen ja joonialaiseen koulukuntaan kuuluneen Anaksagoraan aikalainen.
Leukippokselta ei ole säilynyt kirjoituksia, jotka voitaisiin varmasti laittaa hänen nimiinsä. Hänen kirjoituksensa näyttävät sulautuneet myöhemmin yhteen hänen kuuluisimman oppilaansa Demokritoksen töiden kanssa. Hänen maineensa jäi kokonaan hänen näkemyksensä systematisoineen Demokritoksen maineen alle. Diogenes Laertioksen mukaan Epikuros jopa epäili Leukippoksen historiallisuutta. Aristoteles ja Theofrastos kuitenkin selkeästi antoivat hänelle kunnian atomismin keksimisestä.
Diogeneen mukaan Leukippos ajatteli, että kaikkeus on rajaton ja muutos on jatkuvaa kaikkien asioiden muuttuessa toisikseen. Kaikkeus koostuu sekä tyhjyydestä että kappaleista eli atomeista ja niiden muodostamista isommista kappaleista. Muutos on jatkuvaa liikettä, jossa kappaleet putoavat, kieppuvat ja törmäilevät tyhjyydessä ja synnyttävät sillä tavalla olemassa olevat maailmat. Tähdet ovat syntyneet liikkeessä ja syttyneet sen vuoksi tuleen. Maa on syntynyt, kun atomit ovat pakkautuneet yhteen keskelle.
Demokritos Demokritos (muinaiskreikaksi Δημόκριτος, n. 460 370 eaa.) oli kreikkalainen esisokraatikkoihin lukeutunut filosofi, joka oli kotoisin Abderasta, Traakiasta. Joitakin hänen kirjoituksiaan on säilynyt nykyaikaan asti. Diogenes Laertios kertoo Demokritoksen olleen kaldealaisten ja maagien oppilas. Näiltä hän oppi tähtitiedettä ja teologiaa. Hän kävi myös Egyptissä ja Persiassa opiskelemassa muun muassa geometriaa.
Myöhemmin Demokritoksen kerrotaan olleen Leukippoksen oppilaana ja kehittäneen yhdessä tämän kanssa ajatuksen, jonka mukaan kaikki aine koostui katoamattomista, jakamattomista ja ikuisesti muuttumattomista hiukkasista, joita Demokritos kutsui nimellä atomos, "jakamaton". Tästä termistä on kehittynyt myös nykyään käytetty sana atomi. Nämä hiukkaset ovat jatkuvassa liikkeessä. Atomien välillä ja sisällä on tyhjää tilaa ja ne ovat eri muotoisia ja kokoisia. Eri kokoisten ja muotoisten atomien yhdistelmistä syntyy eri aineita. On mahdotonta sanoa, mitkä näistä ajatuksista olivat alun perin Leukippoksen ja mitkä Demokritoksen.
Kyseistä ainetta koskevaa teoriaa kutsutaan atomismiksi. Aristoteles kertoo, että teoria oli vastine Parmenideen opetuksiin, jotka kielsivät liikkeen, muutoksen ja tyhjyyden olemassaolon täysin. Parmenides esitti, että jonkun asian olemassaolo tarkoitti sitä, että se ei ole voinut tulla tyhjästä, sillä "tyhjästä ei tule mitään". Hän väitti edelleen, että liike on mahdotonta, koska silloin liikkeen täytyisi suuntautua tyhjyyteen. Koska hän samaisti tyhjyyden samaksi kuin "ei mikään", sitä ei voinut olla olemassa. Näin siihen ei voitu myöskään siirtyä. Demokritos esitti, että kaikki oleva on ikuista, mutta kielsi kuitenkin sen että tyhjyys olisi sama kuin "ei mitään". Tämä tekee hänestä ensimmäisen tunnetun ajattelijan, joka esitti täydellisen tyhjyyden olemassaoloa. Ympärillämme tapahtuvat muutokset hän selitti jo mainittuja hiukkasten, atomien, avulla. Ne ovat aina olemassa, mutta kykenevät järjestäytymään eri muotoihin.
Demokritos esitti, että atomeilla oli ainoastaan joitakin ominaisuuksia, näitä olivat koko, muoto ja massa. Kaikki muut ominaisuudet, niin kuin väri ja maku, olivat aineen ominaisuuksia ja saivat alkunsa ruumiimme ja tarkastelemiemme asioiden atomien välisestä monimutkaisesta vuorovaikutuksesta. Hän myös oli sitä mieltä, että atomien todelliset ominaisuudet määrittivät aineen havaitut ominaisuudet esimerkiksi kirpeältä maistuva koostui pienistä ja terävistä atomeista, kun taas makealta maistuva koostui suurista ja pyöreistä atomeista. Näiden atomien vuorovaikutus kielessä olevien atomien kanssa sai aikaan maun aistimuksen. Jotkut ainekset ovat hyvin kiinteitä, koska niiden atomeissa on ikään kuin koukut, jolla ne tarttuvat toisiinsa, jotkut ainekset taas ovat liukkaita, koska ne koostuvat hyvin hienoista, pienistä atomeista jotka sujahtavat helposti toistensa välistä. Demokritoksen omin sanoin: "Asioiden on sovittu olevan makeita, katkeria, kuumia, kylmiä ja värikkäitä; mutta todellisuudessa ne ovat atomeita ja tyhjyyttä".
Demokritos oli myös matematiikan ja erityisesti geometrian edelläkävijä. Hän kirjoitti näistä aiheista teokset Numeroista, Geometriasta, Sivuamisista, Kuvauksista ja Irrationaaleista. Nämä teokset tunnetaan ainoastaan muissa teoksissa olevien lainausten kautta, sillä suurin osa Demokritoksen töistä ei selvinnyt keskiajan läpi.
Kemiantutkimuksen atomihypoteesi Kemiassa atomin käsitteen otti käyttöön John Dalton 1800-luvun alussa. Sen avulla hän selitti etenkin kerrannaisten painosuhteiden lain. Tämä laki sanoo, että jos kaksi alkuainetta muodostaa useampia yhdisteitä keskenään, niin ne määrät yhtä alkuainetta, jotka voivat yhtyä samaan määrään toista alkuainetta, ovat yksinkertaisessa, yleensä pienillä kokonaisluvuilla ilmaistavassa suhteessa toisiinsa. Esimerkiksi 12 grammaa hiiltä voi yhtyä joko 16 grammaan happea muodostaen hiilimonoksidia tai tarkalleen kaksinkertaiseen määrään, 32 grammaan happea muodostaen hiilidioksidia. Tämä selittyy sillä, että hiilimonoksidin molekyylissä on Avogadron mukaan yksi hiili- ja yksi happiatomi, hiilidioksidin molekyylissä taas yksi hiili- ja kaksi happiatomia.
Tämän teorian ja kemiallisten reaktioiden avulla pystyttiin jo 1800-luvun alkupuolella määrittämään varsin tarkoin eri alkuaineiden atomien massojen suhteet toisiinsa. Ei kuitenkaan vielä tiedetty, kuinka suuria niiden massat olivat gramman murtoosina, vain niiden suhteelliset massat tunnettiin. Siksi olikin otettava käyttöön erityinen atomimassayksikkö, joka alkujaan määriteltiin vetyatomin massaksi. (Nykyisin se on määritelty 1/12-osaksi hiili-12-atomin massasta.) Samoihin aikoihin kehittyivät nopeasti myös lämpöoppi ja siihen läheisesti liittyvä kineettinen kaasuteoria, joka myös edellytti kaasun koostuvat molekyyleistä. Kineettiseen kaasuteoriaan perustuva Avogadron laki osoittautui myös hyödylliseksi kaasumaisten alkuaineiden atomimassojen määrityksessä.
Minkä kokoinen on atomi? Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) 1857 tarkastelee artikkelissaan molekyylien rotaatioita ja vibraatioita ja ottaa käyttöön käsitteen molekyylien vapaa matka. James Clerk Maxwell (1831-1879) esitti 1859 artikkelissaan Illustrations of the Dynamical Theory of Gases kaasumolekyylien nopeusjakauman lausekkeen molekyylien vapaa matka on noin 56 nm 1873 molekyylien (atomien) koko ja massa!
17
18
19
Atomiteoria tuli nopeasti tiedemiesten yleisesti hyväksymäksi, joskin epäilijöitä oli vielä 1800-luvun lopullakin, esimerkiksi Ernst Mach. Vasta radioaktiivisuutta koskevat tutkimustulokset sekä Albert Einsteinin vuonna 1905 esittämä Brownin liikkeen selitys ratkaisivat kiistan lopullisesti ja tekivät myös mahdollisiksi määrittää atomimassayksikön ja gramman välisen suhteen. Demokritoksen tavoin myös Dalton ja tiedeyhteisö vielä kauan hänen jälkeensäkin piti atomia jakamattomana. Elektrolyysin tutkimus johti kuitenkin vähitellen siihen päätelmään, että atomi voi saada sähkövarauksen eli ionisoitua, mikä antoi aihetta olettaa, että on olemassa atomiakin pienempiä sähköisesti varattuja hiukkasia.
Katodisäteet ja elektroni Faraday 1833: kaasun harventaminen korostaa hienosti kaasupurkauksen hehkuilmiötä 1858 Plucker: tyhjiöputken lähettyville magneetti, jolloin purkaus taipui hieman kirkkaan vihreää fosforesenssia katodin puoleisessa päädyssä lasiputkessa, magneetti muutti fosforesenssin paikkaa tyhjiöpumppu kehittyi 1855 Hittorf 1869: katodin eteen asetetun esineen varjo, josta pääteltiin, että säteily peräisin katodilta katodisäteet leviävät suoraviivaisesti aiheuttavat voidaan irtoavat katodilta eri aineissa fluoresenssi-ilmiötä poikkeuttaa magneettikentällä 21
katodisäteet irtaantuvat kohtisuoraan katodin pintaa vastaan ja fokusointi mahdollista säteiden ominaisuudet eivät riipu katodimateriaalista! voivat aiheuttaa voimakkaita kemiallisia reaktioita kuten Auringon ultraviolettisäteet voivat kuumentaa ohuen folion punahehkuiseksi, energiaa siirtyy saavat siipipyörän pyörimään, liikemäärä 22
Wiedemann ja Hertz: katodisäteet sähkömagneettisten aaltojen erikoismuoto sähkövirtoja tutkivat fyysikot: sähkövirran kuljettajina pienet hiukkaset, joilla sama negatiivinen sähkövaraus Stoney 1874: elektroninimi 1897 Thomson: mv2/r Q = evb e/m = v/(br) = ne, H = n(mv2/2) e/m= Qv2/H*2 katodisäteiden sähkövarauksen ja massan suhde: e/m = 2H(QB2r2), jossa kaikki suureet mitattuja katodisäteiden täytyy olla kaikkien aineiden atomien osasia, elektroni löytyi 1897! 23
Vuonna 1896 Thomson teki siis merkittävän keksinnön palattuaan Amerikasta luennoimasta. Hänen suunnittelemiensa kokeiden perusteella osoittautui, että katodisäteet koostuvat varatuista hiukkasista elektroneista. Tulokset julkaistiin vuonna 1897. Vuonna 1906 Thomsonille myönnettiin Nobelin fysiikanpalkinto tästä merkittävästä löydöstä ja 1908 hänet ritaroitiin. Isotoopit hän havaitsi 1913 tehtyään kokeita neonkaasulla. Thomsonin saavutuksiksi katsotaan myös muun muassa massaspektrometrin keksiminen. Thomsonin elektronin löytö mullisti sen aikaista käsitystä atomin rakenteesta, ja hän itse kehitti atomimallin, joka tunnetaan rusinakakkumallina.
1900-luvun alun atomimallit J.J. Thomson 1904: Rusinakakkumalli Mutta: miksi elektroni ei säteile kaikkea energiaansa?!! E. Rutherford (& Geiger & Marsden) 1909-1911: α-sirontakokeita Rutherfordin atomimalli! atomin ydin (massa) äärimmäisen pienessä tilassa Henry G.F. Moseley (1887-1915): Röntgensädetutkimuksia vahvistus Rutherfordin atomimallille 25
Nykyisistä, tieteellisiin havaintoihin perustuvista atomimalleista ensimmäinen on elektronin löytäjän Joseph Thomsonin rusinapullamalli. Atomin oli havaittu olevan sähköisesti neutraali, mutta koostuvan erimerkkisesti varautuneista hiukkasista. Klassisen teorian mukaan ainoa mahdollinen pysyvä atomimalli oli sellainen, jossa positiiviset ja negatiiviset hiukkaset ovat tasaisesti levittyneet atomiin kuin rusinat pullaan.
28
29
Ernest Rutherford teki kuitenkin kokeen, jossa hän pommitti ohutta kultakalvoa alfahiukkasilla. Suureksi yllätyksekseen hän havaitsi, että pieni osa hiukkasista kimposi kalvosta takaisin muiden mennessä läpi, ikään kuin suurin osa atomista olisi tyhjää täynnä ja vain pieni ydin sisältäisi kaiken massan. Rutherford päätyi aurinkokuntamalliin, jossa elektronit kiertävät positiivista ydintä samaan tapaan kuin planeetat aurinkoa. Rutherfordin atomimallin mukainen atomi ei kuitenkaan klassisen fysiikan mukaan olisi vakaa, sillä ympyräliikkeessä olevat elektronit säteilisivät energiansa pian pois.
31
32
33
34
35
36
Viivaspektrit G.D. Liveing & Sir James Dewar (1842-1923): 1879-1880 havaitsivat säännönmukaisuuksia alkalimetallien viivaspektreissä Hartley 1883: Δν = vakio multipletissa ryhmittely Johan J. Balmer (1825-1898) 1885: λ= bn²/(n²-4); n=3,4,5, b, kun n vedyn 9 spektriviivaa (b=3645,6 Å) Anders J. Ångström (1814-1874) & Huggins: kokeita 4 vedyn viivaa näkyvä valon alueessa ja 5 vedyn viivaa ultraviolettivalon alueessa (Taulukko I) 37
38
39
40
12.4. (Semi)Klassinen Bohrin atomiteoria Niels Bohr (1885-1962) Yhteistyö Rutherfordin kanssa aurinkokuntamalli Omaksui Planckin kvattihypoteesin E = hν = ΔE Postuloi elektronin ympyräradoille kvantittumisehdon L = mvr = nh/2л (n = 1, 2, 3, ) On the Constitution of Atoms and Molecules (1913) 41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
Kvanttimekaniikan orastus Louis Victor de Broglie (1892-1981): 1924 Luonto rakastaa symmetriaa, myös aineen ja valon: valo (aine-hiukkas)dualistinen myös aine dualistinen p = mc =mc²/c = E/c = hν/c = h/(c/ν) = h/λ aineella λ = h/p!! Clinto Joseph Davisson (1881-1958) (Nobelin fysiikan palkinto 1937) & Lester Halbert Germer (1896-1971), Sir George Paget Thomson (18921975) (Nobel 1937) 1927, 1928 kokeellinen näyttö elektronien diffraktiolle!! 52
53
54
55
Kvanttimekaniikan teoria viimeinkin! Lopulta fyysikot kuten Erwin Schrödinger saivat kehitettyä kvanttimekaanisen atomimallin, jossa elektronit muodostavat ytimen ympärille todennäköisyyspilviä: koskaan ei voi tietää varmasti, missä elektroni on, vaan se on ikään kuin levittäytynyt koko avaruuteen. Kvanttimekaniikan monimutkaisuuden ja järjenvastaisuuden vuoksi Rutherfordin ja Bohrin yksinkertaisia malleja käytetään edelleen opetuksessa, ja useimmat ihmiset ajattelevatkin atomeja edelleen pieninä aurinkokuntina. Kvanttimekaaninen atomimalli on kuitenkin todistettu päteväksi useilla äärimmäisen tarkoilla kokeilla.
57
Erwin Schrödinger (1887-1961) 1926: analogia seisovan aaltoliikkeen kanssa Hamiltonin optiikkaan tukeutuen Aalto-optiikka Geometrinen sädeoptiikka Klassinen hiukkas- Uusi aaltomekaniikka mekaniikka (kun λ on pieni) reunaehdot kvantittuminen Max Born (1882-1970) 1926: Todennäköisyystulkinta! 58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69