История на атомната химия

Как си представяш един атом – така или така, или като един от тези? Ако разбираш достатъчно за атомите, за да визуализираш което и да е от тези, тогава знаеш повече за теорията на атомите, отколкото учените са знаели преди 100 години и МНОГО повече, отколкото са мислели, че знаят преди 2500 години. Тогава гръцкият философ Левкип и ученикът му Демокрит за пръв път са измислили идеята, че материята е съставена от малки частици. Никой не знае как са разработили тази концепция, но те не са мислели, че тези частици са специални – просто са смятали, че ако разрежеш нещо на половина достатъчно пъти евентуално ще достигнеш частица, която повече не може да бъде разрязана. Дали на тези частици името "атомос", означаващо невъзможни за разрязване или разделяне. Като цяло са сметнали, че желязото било изградено от железни частици и глината била изградена от глинени частици и сиренето било изградено от сирени частици. И са приписали свойствата на всяко вещество на формата на атомите. Те мислели, че железните атоми били корави и се задържали заедно с куки, че глинените атоми били по-меки и се прикрепяли със сферични стави, които ги правели подвижни, а сирените атоми били кашави и вкусни. Това има известна логика, ако нямаш достъп до електронни микроскопи или катодно-лъчеви тръби, или работата на поколения предишни учени. Понеже фактът е, че теорията за атомите, както я познаваме днес, е продуктът на стотици, ако не хиляди, различни прозрения. Някои модели, като този на Левкип, били просто предположения на сляпо. С времето много повече били резултат от щателни експерименти. Но, както с всяка друга наука, всеки учен надграждал над това, което е било научено преди. Говорихме подробно за химията през последните седмици и ще продължаваме да правим това, докато преминаваме към ядрена химия и после към основите на органичната химия. Но преди това исках да отделя малко време, за да обясня как знаем това, което знаем за атома днес, и как знаем, че все още не сме го опознали нацяло. [Музика] Може да сметнеш, че след като Левкип и Демокрит измислили цялостната идея за атомите, то би било доста лесно някой друг да вземе тази малка неделима топка и да продължи играта. Но ще сгрешиш. Следващите главни разработки в теорията за атомите не са се появили цели 2300 години. Вече ти казах например за френския химик Антоан Лавоазие, който е предложил закона за запазване на масата. Според него дори ако материята промени вида или формата си, масата остава същата. И сигурно си спомняш английския учител Джеймс Далтън, който определил, че елементите съществуват като отделни съвкупности материя. Благодарение на тези и други велики умове до 1800-те вече имаме по-добро разбиране за цялостното поведение на атомите. Следващият логичен въпрос е бил: "Защо се държат по този начин?" Това довело до проучване на атомната структура. През 70-те години на 19-ти век учените започнали да изследват от какво е направено това вещество чрез газоразрядни тръби, пълни с газ тръби с електроди във всеки край, които излъчват светлина, когато през тях премине електрически ток – пример е неоновата светлина. Понеже тази светлина е била произведена от отрицателен електрод, или катод, тя била наречена катоден лъч и имала отрицателен заряд. Но през 1886 немският физик Ойген Голдщайн открил, че тръбите също излъчват светлина от положителния електрон, лъч, насочен в противоположната посока, което означавало, че в материята трябва също да има положителен заряд. Голдщайн не разбирал напълно това, което е открил – учените все още не са били открили каква е причината за отрицателния заряд в лъчите. Тогава английският физик Джей Джей Томпсън отвел проучването с газоразрядната тръба по-надалеч: като измерил колко топлина генерирали катодните лъчи, колко могат да бъдат изкривени от магнити и други неща, той успял да изчисли масата на лъчите. И масата била около 1000 пъти по-малка от един водороден атом, най-малката частица материя, позната по това време. Той заключил, че катодните "лъчи" не били лъчи или вълни, а всъщност били много леки и малки отрицателно заредени частици. Нарекъл ги "корпускули" (телца), ние ги наричаме "електрони". Въпреки че не сме разбирали какви форми са приемали, знаели сме, че материята има и отрицателни, и положителни елементи. Следващият въпрос е бил: "Как са били подредени те в атома?" Томпсън знаел, че атомът като цяло имал неутрален заряд, така че той си представил, че отрицателно заредените електрони трябва да са случайно разпределени в положително заредена матрица. И верен на английската си природа, Томпсън визуализирал този модел като познат английски десерт: пудинг със стафиди, като положителната матрица е била пудингът, а електроните били случайните плаващи парченца плод в него. Дори днес Томпсъновият модел на атома продължава да бъде наричан "модел на пудинга със стафиди". И докато движението на един електрон е случайно, цялостното им разпределение не е. Следващата голяма стъпка била направена от новозеландеца Ърнест Ръдърфорд през 1909. Той създал експеримент с изключително тънък лист златно фолио и екран, покрит с цинков сулфид. Той бомбардирал листа с алфа частици, като всъщност не знаел какво са били те, просто знаел, че са произведени от разпада на радия, че били положително заредени и много, много малки. Очаквал да прелетят през фолиото без отклонение и много от тях направили точно това. Но някои от частиците били отклонени под големи ъгли и понякога дори назад. Единственото обяснение за това било, че целият положителен заряд на един атом, зарядът, който би отблъснал една алфа частица, трябва да е концентриран в много малка област, която той нарекъл "ядрото". Понеже повечето от алфа частиците преминали право през атомите, без да се отклонят, Ръдърфорд заключил, че по-голямата част от атома е празно пространство и бил прав. Ръдърфорд по-късно щял да открие, че ако бомбардирал азот с алфа частици, това създавало няколко водородни йона. Той правилно предположил, че тези малки положително заредени йони били фундаментални частици: Протони. Сега се доближаваме до реалността. Тези химици имали доста добра идея за структурата на атома, просто трябвало да открият какво точно правели електроните. Влиза Нилс Бор. През 1911, същата година, в която били публикувани резултатите от експеримента на Ръдърфорд със златното фолио, Бор пътувал до Англия, за да учи заедно с Ръдърфорд. Като физик той също бил заинтересуван от математическия модел, представен от немските физици Макс Планк и Алберт Айнщайн, за да обяснят поведението на електромагнитната енергия. С времето Бор осъзнал, че тези математически принципи можели да бъдат приложени към атомния модел на Ръдърфорд. Неговите анализи на експеримента със златното фолио и изчисления, направени въз основа на частта на алфа частиците, които преминали право напред, тези, които били леко отклонени, и тези, които отскочили почти напълно назад, му позволили да прогнозира най-вероятните позиции на електроните в атома. Моделът на Бор, понякога неречен планетарен модел, все още е познат на повечето хора, вероятно и на теб. Той представлява електроните в орбити около малко централно ядро. Всяка орбита може да има специфичен брой електрони, който съответства на енергийните нива и орбитите в модерния модел на атома. И докато определено има недостатъци, моделът на Бор е много близък до реалността по няколко начина. Но както всеки, когото споменах в последните няколко минути, Бор бил едновременно и фантастично прав, и грешал. Проблемът били тези досадни електрони. Немският теоретичен физик Вернер Хайзенберг довел до разбирането на огромността и умопомрачителността на проблема с електроните. Но той бил също един от онези, които помогнали за подреждане на цялата каша в подредено малко купче. Като използвал математическите си умения, Хайзенберг открил, че е невъзможно да се знае със сигурност едновременно импулсът на един електрон (или която и да е субатомна частица), и точното му място. И колкото повече знаеш за една от тези две променливи, толкова по-трудно е да се измери другата. Така че ако не можеш да измериш мястото или импулса на един електрон, очевидно не можеш да кажеш със сигурност, че електроните в един атом са равно подредени в кръгови орбити. Той и нова вълна физици и химици предложили нова теория: квантовата теория, която предполага, че електроните не са частици или вълни, а имат свойства и на двете, и на нито едно от двете. Според този начин на мислене подреждането на електроните около едно ядро може да бъде описано само по отношение на вероятността. С други думи има определени области, където е по-вероятно да се открие електрон. Наричаме тези области "орбити". Знаеш, същите орбити, за които говорихме – тези, които биват наричани s и d и р и f и образуват сигма и пи връзки – това са нещата, които прогнозира теорията на Хайзенберг. И това е модерното разбиране на атомите. Понеже се основава на вероятност, квантовите атоми често биват чертани като облаци, като интензитетът на цвета представлява не отделните електрони, а вероятността да намерим електрон във всяко определено място. Поради тази причина квантовият модел често бива наричан облачен модел на атома. И сега знаеш! Всички хора, които споменах по-рано, и много други са събрали знанията си в едно през времето, за да създадат съвременното и доста елегантно разбиране за теорията на атомите. Сега, след 2500 години, въпреки че не можем да ги видим, знаем как изглеждат и как работят, понеже дълга поредица учени са допринесли с по нещо, за да се стигне до цялата чудна картина. Но също е важно да осъзнаем, че може би все още може да не сме напълно прави. Съвременниците на Томпсън били сигурни, че моделът пудинг със стафиди бил верен; учените през дните на Бор напълно вярвали, че планетарният модел бил верен, а днес ние сме изключително уверени, че квантовият модел е верен. Но може да не е напълно верен и тук се намесваш ти: единственият начин да продължим да сме сигурни е да продължим да задаваме въпроси и да провеждаме експерименти. И затова учиш химия и физика. Внимавай! Благодаря ти, че гледа този епизод от Скоростен курс по Химия. Ако внимаваше, тогава научи, че Левкип и Демокрит са създали идеята за атомите преди почти 2500 години, но истинската работа не е започнала, докато не били открити и протоните, и електроните чрез експериментите с газоразрядни тръби, и как Ърнест Ръдърфорд открил какво и къде е ядрото. Също така научи, че химията може да бъде извършена просто с математика, както Бор е открил модела си или както Хайзенберг е използвал математика, за да въведе квантовата теория за атома. Този епизод е написан от Един Гонзалез и редактиран от Блейк де Пастино. Консултантът ни по химия е Др. Хеймко Лагнър. Записване, режисиране и обработка – Николас Денкинс. Ръководител на сценария беше Катерин Грийн. Мишел Аранда е музикалния режисьор, а Thought Cafe е графичният ни отбор.