AZ ATOMHOZ VEZETŐ FELFEDEZÉSEK

Démokritosz görög filozófus úgy gondolta, hogy az anyag parányi, kisebb darabokra nem bontható részecskékből áll. A - felfogása szerint súllyal és kiterjedéssel rendelkező, de érzékszervekkel nem észlelhető - részecskéknek az "atom" nevet adta. Az atomisztikán kívül az anyag mibenlétéről többféle felfogás is elterjedt, de évezredeken át mind csak hipotézis maradt; egyiknek sem volt tapasztalati alapja, csupán filozófiai megfontolásokon nyugodtak.

Az atomelmélet első kísérleti bizonyítékának tekinthető felfedezés John Dalton nevéhez kapcsolódik az állandó és a sokszoros súlyviszonyok törvényeivel. Ezek szerint a kémiai elemek az elemek tulajdonságaival bíró, változatlan és oszthatatlan részecskékből, atomokból állnak. A vegyületeket alkotó elemek atomjainak száma az egész számoknak megfelelően aránylik egymáshoz.

További előrelépést jelentett Joseph Louis Gay-Lussac térfogati törvénye.

Az Amedeo Avogadro-törvény szerint azonos térfogatú, hőmérsékletű és nyomású gázokban ugyanannyi molekula van. Ezzel vált lehetővé az atom- és a molekulatömegmek valamint a molekulák képletének értelmezése.

William Prout abból kiindulva, hogy az atomok súlya a hidrogénének egész számú többszöröse, arra a következtetésre jutott, hogy az atomok hidrogénatomokból épülnek fel, vagyis oszthatóak. – Később kideült, hogy az alapfeltevés és a következtetés is téves.

Michael Faraday az elektrolízist leíró törvényével az atomos szerkezet és az elektromos töltés kapcsolatát vetítette elő.

Az atomos szemlélet létjogosultságát támasztotta alá a kinetikus gázelmélet, ami Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell és Ludwig Boltzmann nevéhez fűződik. A modellel sikerült értelmezni a gázok nyomását, fajhőjét, és a gázrészecskék sebességeloszlását.

Johann Josef Loschmidt meghatározta az Avogadro-állandót (Loschmidt-szám): \( N_{A} = 6.02214\times10^{23} \frac{1}{mol} \) .

Dmitrij Ivanovics Mengyelejev felismerte, hogy ha az elemeket atomsúlyaik szerint sorbarakjuk, akkor a sorban a fizikai és kémiai tulajdonságok szerint szakaszosság figyelhető meg (periódusos rendszer).

Wilhelm Conrad Röntgen felfedezte az X- (röntgen-)sugárzást. A katódsugárzást kísérő fluoreszkáláson kívül Röntgen olyan sugárzást figyelt meg, ami a fényképlemezt megfeketítette. Röntgen eredményeit a híres matematikus, Henri Poincaré mutatta be a párizsi akadémián. Ekkor tette fel azt a kérdést, ami a radioaktivitás felfedezéséhez vezetett: Van-e összefüggés a Röntgen-sugarak és a fluoreszkálás között?

Antoine Henri Becquerel urániumsókat vizsgált: olyanokat, amelyek fluoreszkálnak és olyanokat, amelyek nem. A kísérletek igazolták, hogy nincs kapcsolat a fluoreszkálás és az észlelt, a fotolemezt megfeketítő (a röntgensugárzástól különböző) radioaktív sugárzás között. A kutatásokat Becquerel tanítványai, Marie Curie és Pierre Curie folytatták. Megfigyeléseik szerint ez a sugárzás papíron, üvegen és vékony fémfólián is áthatol; a gerjesztéstől (pl. melegítés) független; az uránra mint elemre jellemző.

Joseph John Thomson a ritkított gázokban létrejövő elektromos vezetés (katódsugárzás) megfigyelése során felfedezte az elektront, s megmérte az elektron fajlagos töltését (töltésének és tömegének hányadosát): \( 1.76\times10^{11} \frac{C}{kg} \) .

Marie Curie és Pierre Curie a radioaktivitás észlelésére alkalmas berendezést (ionizációs kamrát) készített. Ennek segítségével újabb radioaktív elemeket fedeztek fel: a polóniumot és a radont.

Ernest Rutherford a radioaktív sugarak áthatolóképességét vizsgálva kétféle sugárzást fedezett fel: a kisebb hatótávolságú alfa, és az áthatolóbb béta sugárzást. A \(\beta\)-részecskék vizsgálatánál megfigyelték, hogy ezek fajlagos töltése megegyezik az elektronokéval.

Paul Ulrich Villard felfedezte a még áthatolóbb gamma sugárzást.

Rutherford megfigyelte a radioaktív sugárzás intenzitásának időben exponenciális csökkenését, s ez alapján bevezette a felezési idő fogalmát.

Rutherford leírta a radioaktív bomlás (magátalakulás) folyamatát. Az atomokból többféleképpen sikerült kiszakítani elektronokat (erős elektromos térrel, izzítással), ami arra utalt, hogy az elektron az atom része

Thomson felállította az első atommodellt, mely szerint az atom kb. \(10^{-10} m\) kiterjedésű gömb, melyet pozitív töltésű anyag tölt ki és ennek belsejében az elektronok egyenletesen "szétszórva" helyezkednek el (puding-modell). A modell azonban ellentmondásba került Lénárd Fülöp, majd Rutherford kísérleteivel is.

Albert Einstein értelmezte a Brown-féle mozgást.

Rutherford bizonyította, hogy az alfa részecskék kétszeresen pozitív hélium-ionok (\(He^{++}\)).

Robert Millikan megmérte az elektron töltését (az 1 vegyértékű ionok töltését): \( e = 1.6022\times10^{-19} {C} \). Az "elemi töltés" és a fajlagos töltés ismeretében az elektron (nyugalmi) tömege is kiszámíthatóvá vált: \( m_{el} = 9.11\times10^{-31} {kg} \).

Rutherford kísérleteiben \(\alpha\)-részecskék szórását vizsgálta vékony aranyfólián. Munkatársaival azt tapasztalta, hogy a kis szögben eltérülő részecskék mellett vannak olyanok is, melyek igen nagy mértékben (\(90^\circ\)-nál nagyobb szögben) eltérülnek eredeti irányuktól. Néhány részecske közel \(180^\circ\)-kal "visszapattan" a fóliáról. A mérési és számítási eredmények alapján 1911-ben Rutherford új atommodellt javasolt: az atom egy, a középpontjában elhelyezkedő kicsiny, \(~10^{-14} {m}\) kiterjedésű pozitív töltésű magból és - körülötte viszonylag nagy kiterjedésű térrészben (\(10^{-10} {m}\)) eloszló - elektronokból áll. Minthogy az elektronok tömege nagyon kicsi, gyakorlatilag az atom teljes tömege a magban koncentrálódik. Rutherford szerint az elektronok mag körüli keringéséhez szükséges centripetális erőt a pozitív mag és az elektronok közötti Coulomb-vonzás biztosítja. Az elképzelés a Nap körül keringő bolygókhoz hasonlatos, ezért a „naprendszer-modell” nevet kapta. Azonban az ilyen atom egyrészt lapos, másrészt pedig nem lehet stabilis. Az elektronok közti taszítás miatt a parányi részecskéknek le kellene lökniük egymást a pályáikról. Ráadásul az elektrodinamika törvényei szerint minden gyorsuló mozgást végző töltés (így a körmozgást végző elektron is) energiájának egy részét szükségképpen kisugározza. Ennek eredményeként a rendszer energiája csökken, az elektronok fokozatosan közelednek a maghoz, végül pedig belezuhannak. E folyamat során változik az elektronok keringési ideje és változnia kell az atom által kibocsátott sugárzás frekvenciájának is. Mivel az elektronok nem zuhannak az atommagba és így az atomok "hosszú életűek", a naprendszer-modell sem írja le pontosan a valóságot.

Max von Laue kísérletében megfigyelte a röntgensugarak kristályokon való elhajlását.

Az atomi méretekben működő jelenségek többsége nem magyarázható a klasszikus fizika eszközeivel. Az oszcillátorokra vonatkozó Planck-féle kvantumfeltételből és az Einstein-féle fotonhipotézisből kiindulva Niels Bohr továbbfejlesztette Rutherford modelljét. A modellel és a hozzá kapcsolódó kvantumfeltételekkel az atomfizika sok jelensége értelmezhetővé vált. A Bohr-elmélet két alapfeltevése (posztulátuma): - Az elektron az atommag körül csak jól meghatározott, úgynevezett stacionárius pályákon keringhet. Amíg az elektron ilyen kvantumpályán tartózkodik, az atom fényt nem bocsát ki (energiája változatlan). - Fénykibocsátás csak akkor következik be, ha az elektron valamelyik pályáról ugrásszerűen egy másikra kerül át. Ha az atom \(E_m\) energiájú állapotból \(E_n\) állapotba kerül, akkor a kisugárzott foton frekvenciájára teljesül a következő összefüggés: \(E_m - E_n = hf\) (Bohr-féle frekvenciafeltétel) A legkisebb energiájú \(E_1\) állapotot alapállapotnak, az \(E_2\)-vel, \(E_3\)-mal … jelölteket gerjesztett állapotnak nevezzük. - A modell csak a hidrogénatom (és egyelektronos ionok) vonalas színképére adott pontos magyarázatot, ezért a Bohr-elmélet kiegészítésekre szorul.