Atommodellens utveckling

Enligt Demokritos och hans mästare, Leukippos, består materia av små, odelbara partiklar som kallas atomer.

Enligt deras modell är atomer eviga. Med andra ord kan atomer varken förstöras eller produceras. De kan vara olika i storlek och form och kan haka i varandra genom små krokar. Atomernas egenheter definierar egenskaperna hos olika material. Exempelvis har de någorlunda runda atomerna med krokar, som visas i animationen en bitter smak och de är klibbiga. Atomerna i söta ämnen är små och runda och de kan därför infiltrera olika ämnen och ändra deras smak.

Idag vet vi att denna naiva atommodell inte stämmer överens med verkligheten. Trots detta förblir denna teori viktig i vetenskapshistorien, då den markerar uppkomsten av idén om materiens icke-kontinuerliga, kvantiserade natur på 300-400 talet f.v.t.

Enligt den engelske vetenskapsmannen John Dalton, består föreningar av olika kombinationer av atomer. Han beskrev atomer som odelbara, små, runda enheter. Daltons modell var i huvudsak en förbättrad version av Demokritos atomteori.

Enligt Dalton beror ett materials konsistens på avståndet mellan atomerna. Även om det senare visat sig att atomer inte är odelbara, hade han rätt i sitt antagande att de existerar.

I slutet av 1800-talet blev det uppenbart att teorin om atomens odelbarhet inte stämde. Vid sekelskiftet upptäckte den engelske fysikern Joseph John Thomson att katodstrålar består av negativt laddade partiklar, och genom detta bevisade han elektronernas existens.

I flera experiment drog han slutsatsen att elektroner kan utvinnas ur alla atomer i ett ämne och att alla atomer därmed innehåller elektroner. Eftersom atomerna är elektriskt neutrala, antog han att de negativt laddade elektronerna är inbäddade i en positivt laddad substans. Thomson hänvisade till detta som ”russinpuddingmodellen” eftersom det påminde honom om russin inbakade i skorpan på en kaka.

I Ernest Rutherfords experiment bombarderades guldfolie med alfapartiklar (heliumkärnor). De flesta av alfapartiklarna passerade rakt genom folien medan vissa ändrade riktning och några studsade tillbaka.

Om Thomsons atommodell hade varit korrekt, skulle alla alfapartiklar ha saktat ned, men passerat genom metallen utan någon riktningsförändring.
Detta resultat är endast möjligt om det mesta av guldatomernas vikt komprimeras på en ganska liten yta.
Utifrån detta resultat utvecklade och publicerade Rutherford sin atommodell år 1911, där elektronerna cirkulerar runt den positivt laddade kärnan. Diametern på atomkärnan är ungefär en tiotusendel av atomens diameter.

Enligt vissa beräkningar borde elektronerna som cirkulerar runt kärnan i Rutherford modellen kontinuerligt avge energi, vilket skulle få elektronerna att sakta ned och genom en spiralformad bana hamna i kärnan.

Den allmänna erfarenheten är dock att atomer inte kollapsar, således måste Rutherfords atommodell modifieras. En ny modell, Bohrmodellen, utvecklades av den danske fysikern Niels Bohr 1913 med följande antagande: Elektroner kan endast kretsa runt kärnan i cirkulära banor. Därför kan elektroner inte hamna i kärnan men de kan hoppa från en bana till en annan.

När elektronen absorberar energi i form av en foton, stimuleras den och hamnar i en bana med högre energi, längre bort från kärnan. Elektronen kan endast hamna i en bana med lägre energi genom att avge energi.

Eftersom elektronen endast kan absorbera eller emittera en foton med den energi som behövs för att hoppa, är atomernas emissions- och absorptionsspektra inte kontinuerliga. Detta resultat motsvarar experimentella resultat med väteatomer.

Sommerfeld vidareutvecklade Bohrs atommodell och publicerade sin teori, Bohr-Sommerfeld modellen år 1920. Även i denna atommodell kan elektronerna endast cirkulera runt kärnan i vissa banor, men banorna kan också vara elliptiska.

Heisenbergs och Schrödingers atommodell kallas även den kvantmekaniska atommodellen. Enligt kvantmekaniken, kan inte partiklar beskrivas som kulor med exakta platser. Det är mer realistiskt att skildra atomens elektronskal som ett elektronmoln. Det är ganska sannolikt att man hittar elektronen vid särskilda punkter i ett elektronmoln.

Det finns atomorbitaler i atomen, och dessa orbitaler byggs i sin tur upp av s, p, d och f underskal med specifika former. Denna atommodell är det bästa sättet att spegla verkligheten på, enligt vår nuvarande kunskap om universums struktur och funktion.