2.2 Þróun frumeindakenningarinnar

Ef efni er samsett úr frumeindum, úr hverju eru frumeindir þá samsettar? Eru þær smæstu eindirnar eða er eitthvað enn smærra til? Seint á 19. öld rannsökuðu ýmsir vísindamenn sem höfðu áhuga á slíkum spurningum rafafhleðslur sem hægt var að mynda í lofttegundum við lágan þrýsting. Merkilegasta uppgötvunin var gerð af enska eðlisfræðingnum J. J. Thomson með notkun katóðugeislarörs (e. cathode ray). Þessi búnaður samanstóð af lokuðu glerhylki sem nánast allt loft hafði verið fjarlægt úr. Í hylkinu voru tvö málmrafskaut. Þegar há spenna var lögð yfir rafskautin birtist sýnilegur geisli, kallaður katóðugeisli, á milli þeirra. Þessi geisli sveigðist í átt að jákvæðu hleðslunni og frá neikvæðu hleðslunni og myndaðist á sama hátt með sömu eiginleika þegar mismunandi málmar voru notaðir fyrir rafskautin. Í svipuðum tilraunum var geislinn samtímis sveigður með segulsviði og mælingar á umfangi sveigjunnar og styrk segulsviðsins gerðu Thomson kleift að reikna út hlutfall hleðslu og massa eindanna í katóðugeislanum. Niðurstöður þessara mælinga bentu til þess að þessar eindir væru mun léttari en frumeindir (Mynd 2.6).

Figure A shows a photo of J. J. Thomson working at a desk. Figure B shows a photograph of a cathode ray tube. It is a long, glass tube that is narrow at the left end but expands into a large bulb on the right end. The entire cathode tube is sitting on a wooden stand. Figure C shows the parts of the cathode ray tube. The cathode ray tube consists of a cathode and an anode. The cathode, which has a negative charge, is located in a small bulb of glass on the left side of the cathode ray tube. To the left of the cathode it says “High voltage” and indicates a positive and negative charge. The anode, which has a positive charge, is located to the right of the cathode. Two charged plates are located to the right of the anode, and are connected to a battery and two magnets. The magnets are labeled “S” and “N.” A cathode ray is generated from the cathode, travels through the anode and into a wider part of the cathode ray tube, where it travels between a positively charged electrode plate and a negatively charged electrode plate. The ray bends upward and continues to travel until it hits the wide part of the tube on the right. The rightmost end of the tube contains a printed scale that allows one to measure how much the ray was deflected. — Mynd 2.6 (a) J. J. Thomson myndaði sýnilegan geisla í katóðugeislaröri. (b) Þetta er snemmbúið katóðugeislarör, fundið upp árið 1897 af Ferdinand Braun. (c) Í katóðugeislanum kemur geislinn (sýndur með gulu) frá katóðunni og er hraðað fram hjá anóðunni í átt að flúrljómandi skala á enda rörsins. Samtímis sveigjur með rafsviði og segulsviði gerðu Thomson kleift að reikna út hlutfall massa og hleðslu eindanna sem mynda katóðugeislann. (heimild a: breytt útgáfa af verki Nobel Foundation; heimild b: breytt útgáfa af verki Eugen Nesper; heimild c: breytt útgáfa af verki „Kurzon“/Wikimedia Commons)

Byggt á athugunum sínum lagði Thomson eftirfarandi til og útskýrði það svona: Eindirnar dragast að jákvæðum (+) hleðslum og hrindast frá neikvæðum (–) hleðslum, þannig að þær hljóta að vera neikvætt hlaðnar (eins hleðslur hrinda hvor annarri frá sér og ólíkar hleðslur dragast hvor að annarri); þær eru minni að massa en frumeindir og óaðgreinanlegar, óháð upprunaefninu, svo þær hljóta að vera grundvallar-, undirfrumeindir allra frumeinda. Þótt hugmynd Thomsons hafi verið umdeild á sínum tíma var hún smám saman viðurkennd og katóðugeislaeind hans er það sem við köllum nú rafeind (e. electron), neikvætt hlaðin undirfrumeind með massa sem er meira en þúsund sinnum minni en massi frumeindar. Hugtakið „rafeind“ var búið til árið 1891 af írska eðlisfræðingnum George Stoney, úr „electric ion“ (rafjón).

Árið 1909 komu fram frekari upplýsingar um rafeindina frá bandaríska eðlisfræðingnum Robert A. Millikan í gegnum „olíudropatilraunir“ hans. Millikan bjó til smásæja olíudropa sem hægt var að hlaða með rafmagni með núningi við myndun þeirra eða með notkun röntgengeisla. Þessir dropar féllu upphaflega vegna þyngdaraflsins, en hægt var að hægja á falli þeirra eða jafnvel snúa því við með rafsviði neðar í búnaðinum. Með því að stilla styrk rafsviðsins og gera nákvæmar mælingar og viðeigandi útreikninga gat Millikan ákvarðað hleðslu einstakra dropa (Mynd 2.7).

The experimental apparatus consists of an oil atomizer which sprays fine oil droplets into a large, sealed container. The sprayed oil lands on a positively charged brass plate with a pinhole at the center. As the drops fall through the pinhole, they travel through X-rays that are emitted within the container. This gives the oil droplets an electrical charge. The oil droplets land on a brass plate that is negatively charged. A telescopic eyepiece penetrates the inside of the container so that the user can observe how the charged oil droplets respond to the negatively charged brass plate. The table that accompanies this figure gives the charge, in coulombs or C, for 5 oil drops. Oil drop A has a charge of 4.8 times 10 to the negative 19 power. Oil drop B has a charge of 3.2 times 10 to the negative 19 power. Oil drop C has a charge of 6.4 times 10 to the negative 19 power. Oil drop D has a charge of 1.6 times 10 to the negative 19 power. Oil drop E has a charge of 4.8 times 10 to the negative 19 power. — Mynd 2.7 Tilraun Millikans mældi hleðslu einstakra olíudropa. Gögnin í töflunni eru dæmi um nokkur möguleg gildi.

Þegar þú skoðar hleðslugögnin sem Millikan safnaði gætir þú hafa tekið eftir því að hleðsla olíudropa er alltaf margfeldi af ákveðinni hleðslu, 1,6 ${\times}$ 10⁻¹⁹ C. Millikan ályktaði að þetta gildi hlyti því að vera grunnhleðsla – hleðsla einnar rafeindar – og að mældar hleðslur hans stöfuðu af umframmagni einnar rafeindar (1 sinnum 1,6 ${\times}$ 10⁻¹⁹ C), tveggja rafeinda (2 sinnum 1,6 ${\times}$ 10⁻¹⁹ C), þriggja rafeinda (3 sinnum 1,6 ${\times}$ 10⁻¹⁹ C), og svo framvegis, á hverjum 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 electron = 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 væri ekki óskiptanleg eins og Dalton hafði talið og vegna vinnu Thomsons, Millikans og annarra voru hleðsla og massi neikvæðu undirfrumeindanna – rafeindanna – þekkt. Hins vegar var jákvætt hlaðni hluti frumeindarinnar ekki enn vel skilinn. Árið 1904 lagði Thomson til „plómubúðingslíkan“ frumeinda, sem lýsti jákvætt hlöðnum massa með jafnmikilli neikvæðri hleðslu í formi rafeinda sem væru felldar inn í hann, þar sem allar frumeindir eru rafhlutlausar. Samkeppnislíkan hafði verið lagt til árið 1903 af Hantaro Nagaoka, sem setti fram tilgátu um Satúrnusarlíka frumeind, sem samanstóð af jákvætt hlaðinni kúlu umkringdri geislabaug rafeinda (Mynd 2.8).

Figure A shows a photograph of plum pudding, which is a thick, almost spherical cake containing raisins throughout. To the right, an atom model is round and contains negatively charged electrons embedded within a sphere of positively charged matter. Figure B shows a photograph of the planet Saturn, which has rings. To the right, an atom model is a sphere of positively charged matter encircled by a ring of negatively charged electrons. — Mynd 2.8 (a) Thomson lagði til að frumeindir líktust plómubúðingi, enskum eftirrétti sem samanstendur af rakri köku með innfelldum rúsínum („plómum“). (b) Nagaoka lagði til að frumeindir líktust plánetunni Satúrnusi, með hring af rafeindum sem umkringdi jákvæða „plánetu“. (Heimild a: breyting á verki eftir „Man vyi“/Wikimedia Commons; heimild b: breyting á verki eftir „NASA“/Wikimedia Commons)

Næsta stóra skref í skilningi á frumeindinni kom frá Ernest Rutherford, eðlisfræðingi frá Nýja-Sjálandi sem starfaði að mestu á vísindaferli sínum í Kanada og Englandi. Hann framkvæmdi röð tilrauna þar sem hann notaði geisla af háhraða, jákvætt hlöðnum alfaeindum (α-eindum) (e. alpha particles (α particles)) sem mynduðust við geislavirka rotnun radíums; α-eindir samanstanda af tveimur róteindum og tveimur nifteindum (þú munt læra meira um geislavirka rotnun í kaflanum um kjarnaefnafræði). Rutherford og samstarfsmenn hans, Hans Geiger (sem síðar varð frægur fyrir Geiger-teljarann) og Ernest Marsden, beindu geisla af α-eindum, sem uppsprettan var felld inn í blýblokk til að gleypa megnið af geisluninni, að mjög þunnri gullþynnu og skoðuðu dreifingu α-eindanna sem af því hlaust með því að nota sjálflýsandi skjá sem ljómaði stuttlega þar sem α-eind lenti á honum.

Hvað uppgötvuðu þeir? Flestar eindirnar fóru beint í gegnum þynnuna án þess að breyta um stefnu. Hins vegar breyttu sumar lítillega um stefnu og örfáar þeirra skoppuðu næstum beint aftur í átt að uppsprettunni (Mynd 2.9). Rutherford lýsti því að finna þessar niðurstöður: „Þetta var alveg ótrúlegasti atburður sem hefur komið fyrir mig á ævinni. Það var næstum jafn ótrúlegt og ef þú hefðir skotið 15 tommu sprengikúlu á silkipappír og hún hefði komið til baka og hitt þig.“ ¹

This figure shows a box on the left that contains a radium source of alpha particles which generates a beam of alpha particles. The beam travels through an opening within a ring-shaped luminescent screen which is used to detect scattered alpha particles. A piece of thin gold foil is at the center of the ring formed by the screen. When the beam encounters the gold foil, most of the alpha particles pass straight through it and hit the luminescent screen directly behind the foil. Some of the alpha particles are slightly deflected by the foil and hit the luminescent screen off to the side of the foil. Some alpha particles are significantly deflected and bounce back to hit the front of the screen. — Mynd 2.9 Geiger og Rutherford skutu α-eindum á gullþynnu og greindu hvert þessar eindir fóru, eins og sýnt er á þessari skýringarmynd af tilraun þeirra. Flestar eindirnar fóru beint í gegnum þynnuna, en nokkrar breyttu lítillega um stefnu og örfáar breyttu verulega um stefnu.

Þetta er það sem Rutherford ályktaði: Þar sem flestar háhraða α-eindirnar fóru í gegnum gullfrumeindirnar án þess að breyta um stefnu, hlutu þær að hafa ferðast í gegnum nánast tómt rými inni í frumeindinni. Alfaeindir eru jákvætt hlaðnar, þannig að stefnubreytingar urðu þegar þær rákust á aðra jákvæða hleðslu (eins hleðslur hrinda hvor annarri frá sér). Þar sem eins hleðslur hrinda hvor annarri frá sér, hljóta þær fáu jákvætt hlaðnu α-eindir sem breyttu skyndilega um stefnu að hafa rekist á, eða komið mjög nálægt, öðrum hlut sem einnig hafði mjög þétta, jákvæða hleðslu. Þar sem stefnubreytingarnar áttu sér stað í litlum hluta tilvika, tók þessi hleðsla aðeins lítið rými í gullþynnunni. Eftir að hafa greint röð slíkra tilrauna í smáatriðum dró Rutherford tvær ályktanir:

Rúmmál frumeindar hlýtur að samanstanda af miklu tómarúmi.
Lítill, tiltölulega þungur, jákvætt hlaðinn líkami, kjarninn (e. nucleus), 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, þar sem mestur massi frumeindarinnar er þjappaður saman, umkringdur neikvætt hlöðnum rafeindum, þannig að frumeindin er rafhlutlaus (Mynd 2.10). Eftir margar fleiri tilraunir uppgötvaði Rutherford einnig að kjarnar annarra frumefna innihalda vetniskjarnann sem „byggingareiningu“ og hann nefndi þessa grundvallareind róteindina (e. proton), jákvætt hlaðna undirfrumeind sem finnst í kjarnanum. Með einni viðbót, sem þú munt læra um næst, er þetta kjarnalíkan af frumeindinni, sem lagt var til fyrir meira en öld síðan, enn notað í dag.

The left diagram shows a green beam of alpha particles hitting a rectangular piece of gold foil. Some of the alpha particles bounce backwards after hitting the foil. However, most of the particles travel through the foil, with some being deflected as they pass through the foil. A callout box shows a magnified cross section of the gold foil. Most of the alpha particles are not deflected, but pass straight through the foil because they travel between the gold atoms. A very small number of alpha particles are significantly deflected when they hit the nucleus of the gold atoms straight on. A few alpha particles are slightly deflected because they glanced off of the nucleus of a gold atom. — Mynd 2.10 α-eindirnar breyta aðeins um stefnu þegar þær rekast á eða fara nálægt mun þyngri, jákvætt hlöðnum gullkjarnanum. Þar sem kjarninn er mjög lítill miðað við stærð frumeindar, breyta mjög fáar α-eindir um stefnu. Flestar fara í gegnum tiltölulega stórt svæði sem rafeindirnar taka, en þær eru of léttar til að breyta stefnu hinna hraðfara einda.

Önnur mikilvæg uppgötvun var uppgötvun samsæta. Snemma á 20. öld fundu vísindamenn nokkur efni sem virtust vera ný frumefni og einangruðu þau úr geislavirkum málmgrýtum. Til dæmis var „nýtt frumefni“ sem myndaðist við geislavirka rotnun þóríums upphaflega gefið nafnið mesóþóríum. Nánari greining sýndi hins vegar að mesóþóríum var efnafræðilega eins og radíum (annað rotnunarefni), þrátt fyrir að hafa annan atómmassa. Þessi niðurstaða, ásamt svipuðum niðurstöðum fyrir önnur frumefni, leiddi enska efnafræðinginn Frederick Soddy að þeirri niðurstöðu að frumefni gæti haft tegundir af frumeindum með mismunandi massa sem voru efnafræðilega óaðgreinanlegar. Þessar mismunandi gerðir eru kallaðar samsætur (e. isotopes) — frumeindir sama frumefnis sem eru mismunandi að massa. Soddy hlaut Nóbelsverðlaunin í efnafræði árið 1921 fyrir þessa uppgötvun.

Einni gátu var ósvarað: Vitað var að kjarninn innihélt næstum allan massa frumeindarinnar, en fjöldi róteinda stóð aðeins fyrir helmingi þess massa, eða minna. Ýmsar tillögur voru settar fram til að útskýra hvað myndaði massann sem eftir var, þar á meðal tilvist hlutlausra einda í kjarnanum. Eins og búast má við er mjög erfitt að greina óhlaðnar eindir og það var ekki fyrr en árið 1932 að James Chadwick fann sannanir fyrir nifteindum (e. neutrons), óhlöðnum frumeindum með massa sem er um það bil sá sami og róteinda. Tilvist nifteindarinnar útskýrði einnig samsætur: Þær eru ólíkar að massa vegna þess að þær hafa mismunandi fjölda nifteinda, en þær eru efnafræðilega eins vegna þess að þær hafa sama fjölda róteinda. Þetta verður útskýrt nánar síðar í þessum kafla.

Neðanmálsgreinar

Ernest Rutherford, „The Development of the Theory of Atomic Structure,“ ritstj. J. A. Ratcliffe, í Background to Modern Science, ritstj. Joseph Needham og Walter Pagel, (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1938), 61–74. Skoðað 22. september 2014, https://ia600508.us.archive.org/3/items/backgroundtomode032734mbp/backgroundtomode032734mbp.pdf. ↩

Námsmarkmið