Wie haben wir herausgefunden, dass Atome existieren?

Die strengen Verhältnisse von Elementen, die sich zu anderen Elementen verbinden, gaben Wissenschaftlern den Hinweis, dass Materie verschiedene Bestandteile haben könnte, die jetzt Atome genannt werden.

Die strengen Verhältnisse von Elementen, die sich zu anderen Elementen verbinden, gaben Wissenschaftlern den Hinweis, dass Materie verschiedene Bestandteile haben könnte, die jetzt Atome genannt werden. (Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA)



Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University , Gastgeber von ' Frag einen Raumfahrer ' und ' Weltraumradio ,' und Autor von ' Dein Platz im Universum “ (Prometheus-Bücher, 2018). Sutter hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von demokratija.eu: Op-Ed & Insights .



Im Jahr 1808 entwickelte der Chemiker John Dalton ein sehr überzeugendes Argument, das zu einer erstaunlichen Erkenntnis führte: Vielleicht besteht alle Materie (d. Grundlegende Bits. Unteilbare Bits. Atomare Bits. Atome.

Das Konzept schwebte seit einigen Jahrtausenden hin und her. Die alten Kulturen waren sich sicherlich der allgemeinen Vorstellung bewusst, dass Materie aus grundlegenderen Elementen besteht (obwohl sie sich ziemlich darüber einig waren, was genau als ein Element zählte) und wussten, dass diese Elemente auf interessante und fruchtbare Weise kombiniert wurden, um komplexe Dinge zu bilden, wie zum Beispiel Stühle und Bier. Aber während dieser Jahrtausende blieb die Frage bestehen: Wenn ich ein einzelnes Element isoliere und es in zwei Hälften hacke, dann diese Hälften in zwei Hälften hacke und so weiter, würde ich schließlich ein kleinstmögliches Stück Element finden, das ich nicht mehr könnte? hacken? Oder würde es unendlich weitergehen?



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Nach jahrelanger sorgfältiger Untersuchung fand Dalton eine überraschende Beziehung zwischen den Elementen. Manchmal können sich zwei Elemente auf verschiedene Weise zu verschiedenen Verbindungen mit unterschiedlichen Verhältnissen verbinden, wie dies bei Zinn und Sauerstoff der Fall ist. Aber die Proportionen jedes Elements in den verschiedenen Kombinationen sind immer auf sehr kleine Zahlen reduziert. Wenn Materie unendlich teilbar wäre, ohne kleinstmögliches Stückchen, dann sollte jede Proportion erlaubt sein.

Stattdessen stellte er fest, dass sich eine bestimmte Menge eines Elements mit einer gleichen Menge eines anderen Elements verbinden könnte. Oder mit dem Doppelten oder Dreifachen des anderen Elements. Dalton fand überall und in allen Fällen nur einfache Proportionen. Wäre Materie letztlich unteilbar, bestünde sie aus Atomen, dann wären bei der Kombination von Elementen nur einfache Proportionen und Verhältnisse erlaubt.

Wimmelnde Massen



Hundert Jahre später schien diese „atomare“ Theorie der Materie nicht völlig unsinnig. Eine der schwierigsten Dinge dabei war jedoch, dass, wenn Atome wirklich existierten, sie viel, viel zu klein waren, um sie zu sehen. Wie konnte man die Existenz von etwas beweisen, das man nicht direkt beobachten konnte?

Ein Hinweis auf die Existenz von Atomen kam aus den neu etablierten Studien von Thermodynamik . Um zu verstehen, wie Wärmekraftmaschinen funktionierten – zusammen mit all den dazugehörigen Konzepten wie Temperatur, Druck und Entropie – erkannten Physiker, dass sie Gase und Flüssigkeiten so betrachten konnten, als ob sie aus einer fast zahllosen Menge winziger, sogar mikroskopischer Partikel zusammengesetzt wären. Zum Beispiel misst „Temperatur“ wirklich die durchschnittliche Bewegung all dieser Gasteilchen, die auf Ihr Thermometer treffen und ihre Energie darauf übertragen.

Das war ziemlich überzeugend, und Albert Einstein war ein großer Fan dieser Art von Physik. Genau wie alle anderen Physik, von der er ein Fan wurde, revolutionierte Einstein sie.



Er interessierte sich insbesondere für das Problem der Brownschen Bewegung, das erstmals 1827 von Robert Brown beschrieben wurde (daher der Name). Wenn Sie ein großes Korn in eine Flüssigkeit fallen lassen, neigt das Objekt dazu, von selbst zu wackeln und herumzuspringen. Und nach einigen sorgfältig durchgeführten Experimenten stellte Brown fest, dass dies nichts mit Luft- oder Flüssigkeitsströmungen zu tun hat.

Brownsche Bewegung war nur eine dieser zufälligen ungeklärten Tatsachen des Lebens, aber Einstein sah darin einen Hinweis. Indem er die Flüssigkeit als etwas behandelte, das aus Atomen besteht, konnte er eine Formel dafür ableiten, wie sehr die unzähligen Kollisionen der Flüssigkeitsteilchen dieses Korn herumstoßen würden. Und indem er diese Verbindung auf eine solide mathematische Grundlage stellte, war er in der Lage, einen Weg von etwas, das Sie sehen können (wie viel sich das Korn in einer bestimmten Zeit bewegt) zu etwas zu bewegen, das Sie nicht sehen können (die Masse der Teilchen). der Flüssigkeit).

Mit anderen Worten, Einstein gab uns eine Möglichkeit, ein Atom zu wiegen.

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Und gerade als sich die Leute mit der Größe dieser winzigen Teilchen von Materie vertraut machten und dachten, dass dies die kleinsten Dinge sein müssten, kam jemand, um es zu komplizieren.

Parallel zu Einstein operierte ein wunderbar begabter Experimentalist namens J.J. Thomson. In den späten 1800er Jahren wird er von geisterhaften Lichtstrahlen, die als Kathodenstrahlen bekannt sind, verzückt. Wenn Sie ein paar Elektroden in ein Glasrohr stecken, die gesamte Luft aus dem Rohr saugen und dann die Spannung an den Elektroden hochdrehen, erhalten Sie ein sprudelndes Glühen, das von einer der Elektroden auszugehen scheint, der Kathode, um genau zu sein . Daher Kathodenstrahlen.

Dieses Phänomen warf Physiker Fragen auf. Was hat das Leuchten verursacht? Wie waren Ladungen – von denen damals bekannt war, dass sie mit dem Konzept der Elektrizität in Verbindung standen, aber ansonsten mysteriös waren – mit diesem Glühen verbunden? Thomson knackte den Code, indem er a) die beste verdammte Vakuumröhre herstellte, die jemals jemand hatte, und b) den gesamten Apparat in superstarke elektrische und magnetische Felder steckte. Wenn in diesem Kathodenstrahlgeschäft irgendwie Gebühren involviert wären, dann sollte man besser glauben, dass sie auf diese Felder hören würden.

Und hör zu, sie haben es getan. Der Kathodenstrahl würde sich unter dem Einfluss sowohl elektrischer als auch magnetischer Felder verbiegen. Faszinierend! Das bedeutete, dass das leuchtende Bit mit den Ladungen selbst verbunden war; wenn das Licht irgendwie von den Ladungen getrennt wäre, würde es ungeachtet der Feldinterferenzen direkt hindurch segeln. Und es bedeutete auch, dass Kathodenstrahlen aus dem gleichen Stoff wie Elektrizität bestanden.

Durch den Vergleich des Ausmaßes der Strahlablenkung in den elektrischen Feldern mit dem in den magnetischen Feldern konnte Thomson etwas mathematisches ableiten und einige Eigenschaften dieser Ladungen herausarbeiten. Und hier ist, wo J.J. erhielt seinen Nobelpreis: Diese „Körperchen“ (sein Wort) waren etwa 2.000-mal kleiner als Wasserstoff, das leichteste bekannte Element und damit das kleinste Atom. Diese „Elektronen“ (das Wort aller anderen) waren wirklich bemerkenswert.

Silber und Gold

Es war an der nächsten Generation von Wissenschaftlern, die Rätsel zu lösen, die durch Thomsons Ergebnisse aufgeworfen wurden. Vor allem: Wie kann etwas kleiner sein als ein Atom, und was bedeutet das für die Struktur der Atome selbst?

Es war Thomsons eigener ehemaliger Schüler Ernest Rutherford zusammen mit seinen eigenen Schülern Hans Geiger und Ernest Marsden, die beschlossen, auf Gold zu schießen, um zu sehen, was passieren würde. Die Wissenschaftler wählten Gold, weil sie sehr dünne Platten aus dem Material herstellen konnten, was bedeutete, dass die Bande sicher sein konnte, dass sie die Atomphysik untersuchten. Und sie schossen sehr kleine Kugeln ab: Alphateilchen, die geladene Heliumatome sind. Diese Partikel sind klein, schwer und schnell – die perfekten wissenschaftlichen Kugeln.

Während die Forscher mit Zielübungen beschäftigt waren, segelten die meisten Alphateilchen durch das Gold, als wäre es Seidenpapier. Aber ab und zu wirbelten die Teilchen in eine zufällige Richtung. Und hin und wieder (ungefähr einer von 20.000 Schüssen, und ja, die Wissenschaftler zählten manuell) prallte ein Alphateilchen vom Gold ab und knallte in die Richtung zurück, in der es gekommen war.

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Tolle! Was sagten uns diese kleinen Partikel über Goldatome? Die einzig sinnvolle Erklärung, so die Forscher, war, dass der überwiegende Teil der Masse des Atoms in einem sehr kleinen Volumen konzentriert war. Und dieser „Kern“ muss positiv geladen sein. Da die Gesamtladung des Atoms neutral sein musste, müssen die Elektronen sehr, sehr klein sein und in einer lockeren Wolke um diesen Kern schwimmen, kreisen oder tanzen.

Wenn also die Alphateilchen durchschossen, trafen sie fast immer auf einfach nur leeren Raum. Aber ein sehr unglückliches Teilchen könnte vom Kern abprallen – oder schlimmer noch, frontal – die Flugbahn der Kugel dramatisch verändern.

So entdeckten Thomson und Rutherford fast hundert Jahre, nachdem Dalton endgültig für die Existenz des unteilbaren Atoms argumentierte und gleichzeitig mit Einstein eine Möglichkeit zur direkten Messung dieser Atome bereitstellte, dass das Atom überhaupt nicht unteilbar ist. Stattdessen bestand es aus noch kleineren Teilen.

Zur gleichen Zeit, als wir die Atomtheorie festigten, bekamen wir unseren ersten Eindruck von der subatomaren Welt. Von da an wurde es viel chaotischer.

Erfahre mehr, indem du dir die Folge anhörst 'Wie haben wir herausgefunden, dass das Zeug aus Atomen besteht?' im Podcast 'Ask a Spaceman', verfügbar auf iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com . Danke an Bill S. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter . Folge uns auf Twitter @spacedotcom und weiter Facebook .