atom – historikk

I dag vet vi at alle stoffer er bygget opp av atomer, og vi har til og med metoder som gjør at vi kan lage bilder av dem. Vi vet også at et atom består av deler: en liten atomkjerne som er positivt ladd med negativt ladete elektroner som svirrer omkring. Men hva vi vet med sikkerhet i dag, har en lang forhistorie som strekker seg frem til begynnelsen av forrige århundre da fysikere og kjemikere ble enig om det som er hovedtrekkene i dagens atommodell.

I våre dager blir atomenes masse bestemt i et massespektrometer. Da bestemmes både massen av hver enkelt isotop et grunnstoff består av, og også mengdeforholdet mellom isotopene. Fra disse bestemmelsene kan den gjennomsnittlige relative atommasse for grunnstoffet beregnes. Relativ atommasse (tidligere kalt atomvekt) er gitt for alle grunnstoffer i grunnstoffenes periodesystem. I dette systemet er grunnstoffatomene ordnet etter stigende atomnummer. Atomnummeret angir hvor mange elektroner et nøytralt atom av det grunnstoffet inneholder.

Når man deler et stoff opp i stadig mindre deler, er det bare to muligheter. Enten kan man fortsette å dele og man kommer aldri til noen slutt eller man kommer frem til en minstedel som man ikke kan dele lenger. Begge mulighetene ble drøftet av oldtidens filosofer.

De eldste naturfilosofer inntil Anaxagoras tenkte seg at stoffet var kontinuerlig, dvs. delelig i det uendelige. Anaxagoras utformet denne teorien til sin ytterste konsekvens og uttalte: «Alt inneholdes i alt», ethvert stoff er en blanding av alle mulige stoffer.

I motsetning til dette kom Levkippos  og hans elev Demokrit  til i år -400 at materien ikke kunne være delelig i det uendelige.I stedet antok de at materien måtte være bygd opp av små udelelige partikler, som de kalte atomer, og som de tenkte seg måtte være adskilt ved tomt rom. Levkippos kom til dette resultatet ved å gå ut fra at det er bevegelse til stede i verden. Det må derfor være noe, nemlig det tomme rom, som bevegelsen kan foregå i. Stoffdelene må følgelig være atskilt ved tomrom. Var stoffet delelig i det uendelige, måtte det være tomrom mellom delene, og stoffdelene selv måtte være uendelig små, dvs. de kunne ikke eksistere. Med udelelig menes her fysikalsk udelelig, slik at man godt kan tenke seg atomet delt videre som enhver geometrisk figur. Levkippos tenkte seg atomene dannet av ett og samme urstoff. Det var bare formen som var forskjellig. Atomets form ble derfor det som karakteriserte dem.

Demokrit utviklet atomteorien videre. Han mente at ikke bare atomets form, men også dets størrelse kunne variere. Demokrits lære ble delvis overtatt av epikureerne og ble også skildret av den romerske dikter Lukrets  i hans dikt De rerum natura ca år -60.

Men Aristoteles trodde ikke på atomer. På grunn av den dominerende innflytelse den aristoteliske lære fikk i middelalderen i Europa, gikk atomteorien nesten helt i glemmeboken i den tidens fysikk og kjemi.

Det var først på 1600-tallet at Pierre Gassendi  og Joachim Jungius  tok opp igjen de greske atomistiske forestillinger. I den arabiske fysikk hadde man to vesentlig forskjellige atomteorier. Den ene teori, kalam, holdt atomet for rent abstrakte ting, uten volum eller overflate, men heller ikke som matematiske punkter. Muhamed Razis atomteori, lå nær opp til Demokrits. Også Robert Boyle  og Isaac Newton  benyttet seg av atombegrepet, men det var først John Dalton  som ved sin atomhypotese fra 1807 kan sies å ha lagt grunnlaget for dagens atommodell. Dalton hevdet at:

1. Alle grunnstoffer er bygd av atomer.
2. Alle atomer som hører til samme grunnstoff, er identiske i vekt, størrelse og form, men har en vekt, størrelse og form som er forskjellig fra alle andre grunnstoffers atomer.
3. Atomene er udelelige; de kan ikke spaltes i mindre deler.
4. Grunnstoffenes atomer forener seg i enkle forhold til «compound atoms» eller det vi kaller et molekyl.

Selv om den senere utvikling har ført til at flere av Daltons antagelser har måttet modifiseres, ble hans atomteori av grunnleggende betydning for kjemien og dens utvikling. Atomene og molekylene ble til realiteter som kjemikerne kunne regne med og behandle selv om de ikke var synlige for det blotte øye og kunne isoleres hver for seg. De kjemiske reaksjoner ble oppfattet som reaksjoner mellom atomer og molekyler og  lovene om de konstante og multiple forhold i de kjemiske forbindelser fikk en enkel og innlysende forklaring ved Daltons atomteori. Den gav også støtet til de første atommassebestemmelser. Allerede Dalton foretok slike bestemmelser. Det var først med Berzelii mer nøyaktige kvantitative analyser ti år senere at atomteorien ble bekreftet og akseptert av flere.

En viktig støtte for atomteorien ga den italienske fysikeren Amadeo Avogadro  i 1811 da han fremsatte hypotesen om at like store volum av forskjellige gasser ved samme trykk og temperatur inneholder like mange molekyler. Det åpnet for en alternativ metode til å bestemme relative atom- og molekylvekter, men det tok nesten femti år før Avogadros lov ble alminnelig akseptert.

Til de første forestillinger om atomer var det ikke knyttet elektriske fenomener selv om man allerede i oldtiden hadde erfart at rav  som ble gnidd, kunne trekke til seg lette ting, f.eks. biter av strå. At det kan forekomme både elektrisk tiltrekning og frastøting ble ikke oppdaget før i 1671 av Otto von Guericke, og 62 år etter fant nederlenderen Charles Dufay at det må være to slags elektrisitet, glasselektrisitet og lakkelektrisitet. Disse betegnelsene ble av amerikaneren Benjamin Franklin (1706–90) i 1747 erstattet med betegnelsen positiv og negativ elektrisitet.

Under studier av elektrolyse i 1833–34 kom Michael Faraday  til at elektrisk strøm i en løsning må skyldes bevegelse av elektrisk ladde atomer, og han kom dessuten til at det må forekomme en minste elektrisk ladning. I 1897 påviste J. J. Thomson  at det ved elektriske utladninger i en gass forekommer partikler  som alle har samme negative ladning, og han antok at den måtte være en elementærladning, en minste elektrisk ladning. Partiklen ble kalt et elektron. I 1898 påviste Wihelm Wien at det også finnes en positivt ladd partikkel. Den ble av Ernest Rutherford kalt et proton.

Etter en rekke forsøk hvor atomer ble bombardert med alfa-partikler, konkluderte Ernest Rutherford  i 1911 at atomet måtte bestå av en tung kjerne omgitt av lette elektroner som beveget seg i baner i relativt stor avstand fra kjernen. Niels Bohr foreslo i 1913 en teoretisk modell for et slikt atom.  Den modellen igjen ble erstattet med en teoretisk atommodell foreslått av Erwin Schrödinger i 1926. Denne modellen er det mest presise uttrykket for dagens atommodell som brukes i kjemien.

Den siste kjernepartikkelen, nøytronet, ble ikke funnet før i 1932 av James Chadwick , og først da var dagens atommodell komplett. I dag vet vi også at selv protoner og nøytroner er bygget opp av mindre partikler (kvarker).