2.2 Þróun atómkenningarinnar

Ef efni samanstendur af frumeindum, úr hverju eru frumeindirnar þá gerðar? Eru þær smæstu eindirnar, eða er til eitthvað enn smærra? Undir lok 19. aldar rannsökuðu nokkrir vísindamenn, sem höfðu áhuga á slíkum spurningum, raflosanir sem framkalla mátti í gasi við lágan þrýsting, og var merkasta uppgötvunin gerð af enska eðlisfræðingnum J. J. Thomson með bakskautsgeislaröri. Tækið samanstóð af lokuðu glerröri sem nánast allt loft hafði verið fjarlægt úr; í rörinu voru tvö málmskaut. Þegar háspennu var beitt á milli skautanna birtist sýnilegur geisli, kallaður bakskautsgeisli, á milli þeirra. Geislinn sveigðist í átt að jákvæðu hleðslunni og frá þeirri neikvæðu, og myndaðist á sama hátt og með sömu eiginleika þegar mismunandi málmar voru notaðir sem skaut. Í áþekkum tilraunum sveigðist geislinn einnig fyrir áhrifum segulsviðs, og mælingar á sveigjunni og styrk segulsviðsins gerðu Thomson kleift að reikna út hlutfall hleðslu og massa þeirra einda sem mynda bakskautsgeislann. Niðurstöður þessara mælinga bentu til þess að þessar eindir væru mun léttari en frumeindir (mynd 2.6).

Árið 1909 komu fram frekari upplýsingar um rafeindina þegar bandaríski eðlisfræðingurinn Robert A. Millikan framkvæmdi „olíudropa“-tilraunir sínar. Millikan bjó til smásæja olíudropa sem gátu orðið rafhlaðnir vegna núnings við myndun þeirra eða af völdum röntgengeisla. Þessir dropar féllu upphaflega vegna þyngdaraflsins, en hægt var að hægja á falli þeirra eða jafnvel snúa því við með rafsviði neðar í tækinu. Með því að stilla styrk rafsviðsins og gera nákvæmar mælingar og viðeigandi útreikninga gat Millikan ákvarðað hleðslu einstakra dropa (mynd 2.7).

Þegar litið er á hleðslugögnin sem Millikan safnaði má sjá að hleðsla olíudropa er alltaf margfeldi af tiltekinni hleðslu, 1,6 × 10⁻¹⁹ C. Millikan ályktaði að þetta gildi hlyti því að vera grunnhleðsla, það er hleðsla einnar rafeindar, og að mældar hleðslur hans stöfuðu af einni umframrafeind (1 sinnum 1,6 × 10⁻¹⁹ C), tveimur umframrafeindum (2 sinnum 1,6 × 10⁻¹⁹ C), þremur umframrafeindum (3 sinnum 1,6 × 10⁻¹⁹ C), og svo framvegis, á tilteknum olíudropa. Þar sem hleðsla rafeindar var nú þekkt vegna rannsókna Millikans, og hlutfall hleðslu og massa var þegar þekkt vegna rannsókna Thomsons (1,759 × 10¹¹ C/kg), þurfti aðeins einfaldan útreikning til að ákvarða massa rafeindarinnar einnig.

Vísindamenn höfðu nú staðfest að frumeindin var ekki ódeilanleg eins og Dalton hafði trúað. Þökk sé störfum Thomsons, Millikans og annarra voru hleðsla og massi neikvæðu öreindanna — rafeindanna — þekkt. Hins vegar var jákvætt hlaðni hluti frumeindarinnar ekki enn vel skilinn. Árið 1904 lagði Thomson fram „rúsínubúðingslíkanið“ af frumeindum, sem lýsti jákvætt hlöðnum massa með jafnmikilli neikvæðri hleðslu í formi rafeinda sem voru greyptar í hann, enda eru allar frumeindir rafhlutlausar. Árið 1903 hafði Hantaro Nagaoka sett fram annað líkan sem gerði ráð fyrir frumeind í líkingu við Satúrnus, þ.e. jákvætt hlaðinni kúlu umkringdri baugi af rafeindum (mynd 2.8).

Næsta stóra skref í skilningi okkar á frumeindinni kom frá Ernest Rutherford, nýsjálenskum eðlisfræðingi sem varði stærstum hluta vísindaferils síns í Kanada og Englandi. Hann framkvæmdi röð tilrauna þar sem hann notaði geisla af hraðfleygum, jákvætt hlöðnum alfa-eindum (α-eindum) sem urðu til við geislavirka hrörnun radíns. Alfa-eindir samanstanda af tveimur róteindum og tveimur nifteindum (þú munt læra meira um geislavirka hrörnun í kaflanum um kjarnaefnafræði). Rutherford og samstarfsmenn hans, Hans Geiger (sem síðar varð þekktur fyrir Geiger-teljarann) og Ernest Marsden, beindu geisla af α-eindum að mjög þunnri gullþynnu. Uppspretta geislans var felld inn í blýklump sem gleypti stærstan hluta geislunarinnar. Þeir rannsökuðu síðan dreifingu α-eindanna með því að nota sjálflýsandi skjá sem glampaði stuttlega þar sem α-eind lenti á honum.

Rutherford ályktaði sem svo: Þar sem flestar hraðfleygu α-eindirnar fóru í gegnum gullfrumeindirnar án þess að sveigja af leið, hljóta þær að hafa farið í gegnum nánast tómt rými inni í frumeindinni. Alfa-eindir eru jákvætt hlaðnar og því urðu sveigjur þegar þær mættu annarri jákvæðri hleðslu (eins hleðslur hrinda hver annarri frá sér). Þar sem eins hleðslur hrinda hver annarri frá sér, hljóta þær fáu jákvætt hlöðnu α-eindir sem breyttu skyndilega um stefnu að hafa lent á, eða farið mjög nálægt, öðrum hlut sem einnig hafði mjög þétta, jákvæða hleðslu. Þar sem sveigjurnar áttu sér aðeins stað í örfáum tilvikum, tók þessi hleðsla aðeins mjög lítið rými í gullþynnunni. Eftir að hafa greint röð slíkra tilrauna í smáatriðum dró Rutherford tvær ályktanir:

1. Rúmmálið sem frumeind tekur hlýtur að mestu leyti að samanstanda af tómarúmi.
2. Lítill, tiltölulega þungur og jákvætt hlaðinn hlutur, kjarninn, hlýtur að vera í miðju hverrar frumeindar.

Þessi greining leiddi til þess að Rutherford lagði til líkan þar sem frumeind samanstendur af mjög litlum, jákvætt hlöðnum kjarna sem inniheldur stærstan hluta massa frumeindarinnar. Umhverfis hann eru neikvætt hlaðnar rafeindir og er frumeindin því rafhlutlaus (mynd 2.10). Eftir margar frekari tilraunir uppgötvaði Rutherford einnig að kjarnar annarra frumefna innihalda vetniskjarnann sem „byggingareiningu“. Hann nefndi þessa grunnstæðari eind róteind, sem er jákvætt hlaðin öreind í kjarnanum. Með einni viðbót, sem fjallað verður um hér á eftir, er þetta kjarnalíkan frumeindarinnar, sem lagt var fram fyrir rúmri öld, enn notað í dag.

Önnur mikilvæg niðurstaða var uppgötvun samsætna. Snemma á 20. öld bentu vísindamenn á nokkur efni sem virtust vera ný frumefni og einangruðu þau úr geislavirku grjóti. Til dæmis fékk „nýtt frumefni“, sem myndaðist við geislavirka hrörnun þóríums, upphaflega nafnið mesóþóríum. Nánari greining sýndi þó að mesóþóríum væri efnafræðilega eins og radín (önnur hrörnunarafurð), þótt frumeindamassi þess væri annar. Þessi niðurstaða, ásamt áþekkum niðurstöðum fyrir önnur frumefni, leiddi enska efnafræðinginn Frederick Soddy að þeirri ályktun að frumefni gæti haft frumeindategundir með ólíkan massa sem væru efnafræðilega óaðgreinanlegar. Þessar mismunandi gerðir eru kallaðar samsætur — frumeindir sama frumefnis sem hafa mismunandi massa. Soddy hlaut Nóbelsverðlaunin í efnafræði árið 1921 fyrir þessa uppgötvun.

Ein ráðgáta var þó óleyst: Vitað var að kjarninn innihélt næstum allan massa frumeindarinnar, en fjöldi róteinda útskýrði aðeins helming eða minna af þeim massa. Ýmsar tillögur voru lagðar fram til að útskýra hvað myndaði þann massa sem upp á vantaði, þar á meðal tilvist óhlaðinna einda í kjarnanum. Eins og við má búast er mjög erfitt að greina óhlaðnar eindir og það var ekki fyrr en árið 1932 að James Chadwick fann sannanir fyrir nifteindum, óhlöðnum öreindum með massa sem er um það bil sá sami og massi róteinda. Tilvist nifteindarinnar útskýrði einnig samsætur: Þær eru ólíkar að massa vegna þess að þær hafa mismunandi fjölda nifteinda, en eru efnafræðilega eins þar sem þær hafa sama fjölda róteinda. Þetta verður útskýrt nánar síðar í þessum kafla.