22 Atóm, sameindir og jónir

2.2 Þróun atómkenningarinnar

Námsmarkmið

Að loknum þessum kafla munt þú geta:

rakið áfanga í þróun nútíma atómkenningar
tekið saman og túlkað niðurstöður úr tilraunum Thomsons, Millikans og Rutherfords
lýst þeim þremur öreindum sem frumeindir eru gerðar úr
skilgreint samsætur og nefnt dæmi um þær hjá nokkrum frumefnum

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).

Mynd A sýnir ljósmynd af J. J. Thomson að störfum við skrifborð. Mynd B sýnir ljósmynd af bakskautslampa. Hann er langt glerrör sem er mjótt á vinstri enda en víkkar út í stóra kúlu á hægri enda. Allur bakskautslampinn stendur á viðarstandi. Mynd C sýnir hluta bakskautslampans. Bakskautslampinn samanstendur af bakskauti og forskauti. Bakskautið, sem hefur neikvæða hleðslu, er staðsett í lítilli glerkúlu vinstra megin í bakskautslampanum. Vinstra megin við bakskautið stendur „Háspenna“ og sýnd er jákvæð og neikvæð hleðsla. Forskautið, sem hefur jákvæða hleðslu, er staðsett hægra megin við bakskautið. Tvær hlaðnar plötur eru staðsettar hægra megin við forskautið og eru tengdar við rafhlöðu og tvo segla. Seglarnir eru merktir „S“ og „N“. Bakskautsgeisli myndast frá bakskautinu, ferðast í gegnum forskautið og inn í breiðari hluta bakskautslampans, þar sem hann ferðast á milli jákvætt hlaðinnar rafskautsplötu og neikvætt hlaðinnar rafskautsplötu. Geislinn sveigist upp á við og heldur áfram að ferðast þar til hann lendir á breiða hluta lampans til hægri. Ysti endinn til hægri á lampanum inniheldur prentaðan kvarða sem gerir manni kleift að mæla hversu mikið geislinn sveigðist. — **Mynd 2.6.** (a) J. J. Thomson framkallaði sýnilegan geisla í bakskautsgeislaröri. (b) Þetta er bakskautsgeislarör af eldri gerð, fundið upp árið 1897 af Ferdinand Braun. (c) Í bakskautsgeislarörinu kemur geislinn (sýndur í gulu) frá bakskautinu og honum er hraðað framhjá forskautinu í átt að flúrljómandi kvarða á enda rörsins. Samtímis sveigja af völdum raf- og segulsviðs gerði Thomson kleift að reikna út hlutfall massa og hleðslu þeirra einda sem mynda bakskautsgeislann. (mynd a: breytt verk frá Nóbelsstofnuninni; mynd b: breytt verk eftir Eugen Nesper; mynd c: breytt verk eftir „Kurzon“/Wikimedia Commons)

Á grundvelli athugana sinna lagði Thomson fram eftirfarandi tilgátu og rökstuddi hana svo: Eindirnar dragast að jákvæðum (+) hleðslum og hrindast frá neikvæðum (−) hleðslum, þannig að þær hljóta að vera neikvætt hlaðnar (eins hleðslur hrinda hver annarri frá sér en ólíkar dragast hvor að annarri). Þær hafa minni massa en frumeindir og eru óaðgreinanlegar, óháð upprunaefni, og hljóta því að vera grundvallaröreindir allra frumeinda. Þótt hugmynd Thomsons væri umdeild á sínum tíma var hún smám saman viðurkennd. Bakskautsgeislaeind hans er það sem við köllum nú rafeind, neikvætt hlaðin öreind með massa sem er innan við einn þúsundasti af massa frumeindar. Hugtakið „electron“ (rafeind) smíðaði írski eðlisfræðingurinn George Stoney árið 1891 úr orðunum „electric ion“.

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).

Tilraunatækið samanstendur af olíuúðara sem úðar fínum olíudropum inn í stórt, lokað ílát. Úðaða olían lendir á jákvætt hlaðinni messingplötu með litlu gati í miðjunni. Þegar droparnir falla í gegnum gatið ferðast þeir í gegnum röntgengeisla sem gefnir eru út inni í ílátinu. Þetta gefur olíudropunum rafhleðslu. Olíudroparnir lenda á messingplötu sem er neikvætt hlaðin. Sjónaukaauga nær inn í ílátið svo að notandinn geti fylgst með því hvernig hlöðnu olíudroparnir bregðast við neikvætt hlöðnu messingplötunni. Taflan sem fylgir þessari mynd gefur upp hleðsluna, í kúlombum eða C, fyrir fimm olíudropa. Olíudropi A hefur hleðsluna 4,8 sinnum 10 í mínus 19. veldi. Olíudropi B hefur hleðsluna 3,2 sinnum 10 í mínus 19. veldi. Olíudropi C hefur hleðsluna 6,4 sinnum 10 í mínus 19. veldi. Olíudropi D hefur hleðsluna 1,6 sinnum 10 í mínus 19. veldi. Olíudropi E hefur hleðsluna 4,8 sinnum 10 í mínus 19. veldi. — **Mynd 2.7.** Tilraun Millikans mældi hleðslu einstakra olíudropa. Töflugögnin eru dæmi um nokkur möguleg gildi.

Þegar litið er á hleðslugögnin sem Millikan safnaði má sjá að hleðsla olíudropa er alltaf margfeldi af tiltekinni hleðslu, 1,6 $\times ⁠$ 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 $\times ⁠$ 10⁻¹⁹ C), tveimur umframrafeindum (2 sinnum 1,6 $\times ⁠$ 10⁻¹⁹ C), þremur umframrafeindum (3 sinnum 1,6 $\times ⁠$ 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 $\times ⁠$ 10¹¹ C/kg), þurfti aðeins einfaldan útreikning til að ákvarða massa rafeindarinnar einnig.

Massi rafeindar = 1,602 \times 10^{−19} C \times \frac{1 kg}{1,759 \times 10^{11} C} = 9,107 \times 10^{−31} kg

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).

Mynd A sýnir ljósmynd af rúsínubúðingi, sem er þykk, næstum kúlulaga kaka sem inniheldur rúsínur í gegn. Til hægri er frumeindalíkan sem er kringlótt og inniheldur neikvætt hlaðnar rafeindir sem eru greyptar í kúlu af jákvætt hlöðnu efni. Mynd B sýnir ljósmynd af plánetunni Satúrnusi, sem hefur hringa. Til hægri er frumeindalíkan sem er kúla af jákvætt hlöðnu efni umkringd hring af neikvætt hlöðnum rafeindum. — **Mynd 2.8.** (a) Thomson stakk upp á því að frumeindir líktust rúsínubúðingi, enskum eftirrétti sem samanstendur af rakri köku með rúsínum í. (b) Nagaoka lagði til að frumeindir líktust plánetunni Satúrnusi, með hring af rafeindum sem umkringdi jákvæða „plánetu“. (mynd a: breytt verk eftir „Man vyi“/Wikimedia Commons; mynd b: breytt verk eftir „NASA“/Wikimedia Commons)

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.

Hvað uppgötvuðu þeir? Flestar eindirnar fóru beint í gegnum þynnuna án þess að sveigja af leið. Sumar sveigðu þó lítillega af leið og örfáar endurköstuðust nánast beint til baka að uppsprettunni (mynd 2.9). Rutherford lýsti þessum niðurstöðum svo: „Þetta var án efa ótrúlegasti atburður sem hefur hent mig á ævinni. Það var álíka ótrúlegt og ef þú skytir 38 sentímetra fallbyssuskoti á silkipappír og það kæmi til baka og hæfði þig.“ 1

Þessi mynd sýnir kassa vinstra megin sem inniheldur radínuppsprettu alfa-einda sem myndar geisla af alfa-eindum. Geislinn fer í gegnum op á hringlaga sjálflýsandi skjá sem notaður er til að nema dreifðar alfa-eindir. Þunn gullþynna er í miðjum hringnum sem skjárinn myndar. Þegar geislinn lendir á gullþynnunni fara flestar alfa-eindirnar beint í gegnum hana og lenda á sjálflýsandi skjánum beint fyrir aftan þynnuna. Sumar alfa-eindirnar sveigja lítillega af leið vegna þynnunnar og lenda á sjálflýsandi skjánum til hliðar við hana. Sumar alfa-eindir sveigja verulega af leið og endurkastast til baka og lenda á framhlið skjásins. — **Mynd 2.9.** Geiger og Rutherford skutu α-eindum að gullþynnu og mældu hvert eindirnar fóru, eins og sýnt er á þessari skýringarmynd af tilraun þeirra. Flestar eindirnar fóru beint í gegnum þynnuna, en nokkrar sveigðu lítillega af leið og örfáar sveigðu verulega af leið.

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:

Rúmmálið sem frumeind tekur hlýtur að mestu leyti að samanstanda af tómarúmi.
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.

Vinstri skýringarmyndin sýnir grænan geisla af alfa-eindum lenda á rétthyrndri gullþynnu. Sumar alfa-eindirnar endurkastast til baka eftir að hafa lent á þynnunni. Hins vegar fara flestar eindirnar í gegnum þynnuna, en sumar sveigjast af leið þegar þær fara í gegnum hana. Útskýringarreitur sýnir stækkað þversnið af gullþynnunni. Flestar alfa-eindirnar sveigjast ekki af leið, heldur fara beint í gegnum þynnuna vegna þess að þær ferðast á milli gullfrumeindanna. Mjög lítill fjöldi alfa-einda sveigist verulega af leið þegar þær lenda beint á kjarna gullfrumeindanna. Fáeinar alfa-eindir sveigjast lítillega af leið vegna þess að þær strjúkast við kjarna gullfrumeindar. — **Mynd 2.10.** α-eindirnar sveigjast aðeins af leið þegar þær rekast á eða fara nálægt hinum mun þyngri, jákvætt hlaðna gullkjarna. Þar sem kjarninn er mjög lítill í samanburði við stærð frumeindarinnar sveigjast mjög fáar α-eindir af leið. Flestar fara í gegnum hið tiltölulega stóra rými sem rafeindirnar taka pláss í, en þær eru of léttar til að breyta stefnu eindanna sem eru á fleygiferð.

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.