Antikens filosofer började fundera över vad det var världen var uppbyggd av och medeltidens alkemister utvecklade metoder för att studera den. Länge tänkte man sig att allt var uppbyggt av luft, jord, eld och vatten i olika kombinationer. Och även om filosofen Democritus undrade om det möjligtvis fanns någon minsta odelbar partikel, en atom, Så var det inte förrän i början på 1800-talet som man började inse att Democritus faktiskt hade haft rätt, på sätt och vis. Här nere ser du nu en tidslinje över några olika händelser som hade med atomens upptäckt och atommodellens framväxt att göra.
Den startar här år 1805. och slutar drygt 100 år senare år 1932. Men vad var det då som hände 1805? Jo, då vill jag att du stiftar bekantskap med John Dalton här. Han hade studerat meteorologi och sedan gått över till att undersöka gaser och deras egenskaper.
Resultaten av hans experiment på olika gaser kunde förklaras om man betraktade gaserna som uppbyggda av små partiklar, kulformiga atomer, vars massa bestämde vad de hade för egenskaper. Det här kunde vår svensk kemist Jöns Jacob Berzelius bygga vidare på och år 1818 kunde han publicera en tabell med relativa atomvikter alltså där han sorterade atomerna i de dåkända grundämnena från den lättaste atomen till den tyngsta. Det där utnyttjade så småningom Dmitri Mendeleev när han publicerade sitt första periodiska system år 1869. Något som alltså kunde göras tack vare de relativa atomvikterna Det där kommer jag prata mer om i mina video genomgångar om det periodiska systemet Men du kan i alla fall se ett exempel på här hur allt i vetenskapen hänger ihop och hur den utvecklas i olika riktningar Men vi ska flytta oss fram till år 1896 och en fransk fysiker som hette Henri Becquerel Han undersökte uransalter...
och upptäckte att om han la dem på en fotografisk plåt så exponerades plåten, alltså utan att den hade blivit utsatt för ljus. Becquerel förstod att uransaltet måste ha sänt ut någon form av strålning. Kunde det vara en typ av röntgenstrålar?
Nej, Becquerel kunde konstatera att det var en annan typ av strålning. Istället uppstår strålningen när uranet sönderfaller till andra atomer, något som Marie Curie observerade när hon undersökte strålningen från bland annat radium. Det var faktiskt hon som myntade begreppet radioaktivitet, och för sitt arbete med radioaktivitet fick hon 1903 års Nobelpris i fysik. tillsammans med sin man Pierre och just Henri Becquerel.
Slutsatsen som jag vill att du ska ha med dig här är i alla fall att man nu kunde konstatera att atomen inte alls var odelbar. Men då inställde sig naturligtvis frågan, om atomen inte är odelbar, vad består den då av? En del av svaret kom genom experiment som den brittiske fysikern Joseph John Thompson, eller JJ som han ofta kallades, utförde.
Han använde ett sånt här katodstrålrör som vi ska ta och titta lite närmare på. När Thomson la på en kraftig spänning över plattorna här och här så uppstod det något som han kallade för en katodstråle. Så här. Den här metallfiguren i mitten gör att det kastas en skugga längst bak i röret. Men sen gjorde Thomson något smart.
Han undersökte vad som hände med katodstrålen när han förde till en magnet. Så här. Ser du att skuggan förflyttade sig och att katodstrålen alltså böjs av? Kolla nu på magneten här uppe. Ser du att det är rött till vänster och blått till höger?
Om vi vänder på den så att det blir rött till höger och blått till vänster så böjs katodstrålen istället av åt andra hållet. Nu kunde Thomson dra slutsatsen att katodstrålen i själva verket bestod av en jämn ström av negativt laddade partiklar. Partiklarna fick namnet elektroner efter ett grekiskt ord som betyder bärnsten och det är för att om man gnuggar bärnsten med kattskinn så blir bärnstenen elektrist eller statiskt laddad.
I och med detta kunde Thomson presentera en ny förbättrad version av atommodellen, den så kallade plam-padding-modellen. Han tänkte sig att atomen bestod som av en positivt laddad deg eller smet med negativt laddade elektroner instock. som russinen i en russinkaka, eller alltså plumpudding på engelska. För att förstå bättre hur atomen var uppbyggd gjorde en annan brittisk forskare, Ernest Rutherford, ett mycket elegant experiment.
Här ser du en schematisk uppställning för experimentet som han gjorde. Här borta hade han ett radioaktivt preparat som skickade ut så kallade alfapartiklar. De passerade in här och träffade en guldfolie som var placerad i mitten här.
Om nu atomen såg ut så som Thomson föreslog så skulle alla alfapartiklarna passera rakt igenom den tunna guldfolien. Och de allra flesta åkte också rakt igenom precis som förutspått. Men ungefär en av 8000 partiklar studsade iväg åt ett helt annat håll. Hur skulle man förklara det?
År 1911 presenterade Rutherford en förbättrad atommodell. I den är det allra mesta av atomen tomrum och nästan hela atomens massa är samlat i mitten av atomen i en solid kärna, atomkärnan. Det var alltså atomkärnan som partiklarna studsade mot.
Atomkärnan är positivt laddad och Rutherford tänkte sig att elektronerna rörde sig runt atomkärnan ungefär som planeterna i solsystemet. Det var bara ett problem med Rutherfords modell. Den var fullständigt orimlig.
Elektronerna borde nämligen ögonblickligen ha fallit in i atomkärnan och inte alls kunnat kretsa kring den. Men varför gjorde de inte det? Gåtan löstes av den danske fysikern Nils Bohr som år 1913 kunde presentera en förbättrad modell av atomen. Det gjorde han genom att studera något som kallas för vätets emissionsspektrum.
Om man tillför energi till väte så kan man få vätet att sända ut, alltså emittera ljus. Men som du ser i emissionsspektrumet här så är det alls icke-regnbågens alla färger som sänds ut utan bara vissa specifika färger. Vilken färg det är, det beror på vilken energi ljuset har. Och ju blåare ljus, desto mer energi har ljuset.
Men varför skickar atomen ut ljus överhuvudtaget om man tillför energi till den? Då ska du tänka dig så här, att du lyfter upp en sten från marken. Det du gör då är att du tillför lägesenergi till stenen. Om du sedan släpper stenen så omvandlas lägesenergin till rörelsenergi. När stenen slår i marken igen så omvandlas rörelsenergin till värmeenergi som strålar ut från marken.
På samma sätt är det med elektronerna i en atom. Om vi tillför energi till elektronen så lyfter vi den bort från atomkärnan. När elektronen faller tillbaka in mot atomen så omvandlas elektronens lägesenergi till ljusenergi som strålar ut från atomen. Men nu var det ju så att bara vissa specifika energier sändes ut från vätatomen.
Det insåg Niels Bohr att det betyder att elektronerna bara kan befinna sig i vissa bestämda skal eller energinivåer runt kärnan. De här energinivåerna har fått benämningen K, L, M och så vidare som du kan se i bilden här. Bohrs atommodell är jättebra och den fungerar fantastiskt fint för att beskriva just vätatomen.
Men den har sina begränsningar. Skalen är inte så enkelt definierade, det vill säga de är inte bara cirkulära eller sveriska banor runt atomkärnan. Och elektronerna är inte punktformiga kulor heller, utan liksom utsmetade i både tid och rum.
Det gör att man hellre talar om att elektronerna befinner sig i elektronmoln runt atomkärnan snarare än att det är elektronskal. Några år efter detta så upptäckte Rutherford också protonen. Nästan omedelbart efter att han gjort detta insåg han att det måste finnas ytterligare en byggsten i atomen.
Det är för att lika laddningar vet man ju att de stöter från varann. Om det alltså är positivt laddade protoner i kärnan så skulle de stöta från varann om det inte fanns något slags klister som håller dem samman ändå. Det var Rutherfords student James Chadwick som år 1932 upptäckte neutronen, som ju hade förespotts av Rutherford.
Och därmed hade alla atomens byggstenar upptäckts. Vi tar och sammanfattar det och skriver att vi har elektronerna med laddningen minus 1 och som skrivs E minus. De befinner sig på bestämda energinivåer eller skal runt kärnan.
Protonerna, de har laddningen plus 1 och därför skriver vi dem P plus. Protonerna återfinns i atomkärnan. Slutligen har vi då neutronerna som är oladdade och alltså har laddningen 0. Vi skriver dem bara n och de befinner sig också i kärnan.
Den riktigt vetgiriga ställer sig nu naturligtvis frågan, men vad består då elektroner, protoner och neutroner av? Ja, elektronerna, de består faktiskt inte av någonting annat alls. Och vad protonerna och neutronerna består av, nämligen kvarkar, det ligger långt utanför vad vi brukar gå igenom i kemi på nivå 1.