Az atomhoz vezető felfedezések

i.e. V. század: 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.
1803: 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.
1808: További előrelépést jelentett Joseph Louis Gay-Lussac térfogati törvénye.
1811: 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.
1815: 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.
1833: Michael Faraday az elektrolízist leíró törvényével az atomos szerkezet és az elektromos töltés kapcsolatát vetítette elő.
1850-1880: 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.
1865: Johann Josef Loschmidt meghatározta az Avogadro-állandót (Loschmidt-szám): \( N_{A} = 6.02214\times10^{23} \frac{1}{mol} \) .
1869: 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).
1895: 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?
1896: 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.
1897: 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): \( 1.76\times10^{11} \frac{C}{kg} \) .
1898: 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.
1898: 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.
1900: Paul Ulrich Villard felfedezte a még áthatolóbb gamma sugárzást.
1900: Rutherford megfigyelte a radioaktív sugárzás intenzitásának időben exponenciális csökkenését, s ez alapján bevezette a felezési idő fogalmát.
1902: 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
1904:

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.
1905: Albert Einstein értelmezte a Brown-féle mozgást.
1908: Rutherford bizonyította, hogy az alfa részecskék kétszeresen pozitív hélium-ionok (\(He^{++}\)).
1910: 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: \( m_{el} = 9.11\times10^{-31} {kg} \).
1909-11: 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.
1912: Max von Laue kísérletében megfigyelte a röntgensugarak kristályokon való elhajlását.
1912-13: 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.