Inhoud
- De Democritus-deeltjestheorie
- Het Democritus-experiment om het bestaan van atomen te bewijzen
- John Dalton en moderne atoomtheorie
- Particle Theory Meets the Quantum
- Het moderne atoom
De deeltjestheorie van materie werd niet zozeer ontdekt als wel geformuleerd en die formulering begon in het oude Griekenland.
De persoon die wordt gecrediteerd met het idee dat de wereld uit kleine, ondeelbare deeltjes bestaat, is de filosoof Democritus, die leefde van 460 tot 370 v.Chr. Hij bedacht een experiment om zijn idee te bewijzen, en hoewel het Democritus-experiment vandaag de dag misschien te simplistisch lijkt, heeft het bijgedragen aan de geboorte van het atoomconcept, dat centraal staat in het moderne begrip van materie.
In de eeuwen die op het experiment volgden, maakte de Democritus-deeltjestheorie niet veel vooruitgang, maar aan het begin van de negentiende eeuw werd het overgenomen door de Engelse chemicus en natuurkundige John Dalton (1766 - 1844).
Het werk van Daltons bleef vrijwel onveranderd gedurende het grootste deel van een eeuw totdat een bemanning van moderne fysici met namen als Thompson, Rutherford, Bohr, Planck en Einstein erbij betrokken raakten. Dat is toen vonken begonnen te vliegen, en de wereld het nucleaire tijdperk inging.
De Democritus-deeltjestheorie
Het klinkt alsof het woord 'democratie' misschien is afgeleid van zijn naam, maar Democritus was geen politieke filosoof. Het woord komt eigenlijk van de Griekse woorden demos, wat 'de mensen' betekent, en kratein, wat betekent 'regeren'.
Bekend als de 'lachende filosoof' vanwege het grote belang dat hij hechtte aan opgewektheid, heeft Democritus een ander belangrijk woord verzonnen: atoom. Hij verwees naar de kleine deeltjes waaruit alles in het universum bestaat atomos, wat betekent dat niet te snijden of ondeelbaar is.
Dit was niet zijn enige baanbrekende bijdrage aan de wetenschap. Democritus was ook de eerste die beweerde dat het licht dat we vanuit de Melkweg zien, het gecombineerde licht is van een veelheid van individuele sterren. Hij stelde ook het bestaan van andere planeten voor en postuleerde zelfs het bestaan van meerdere universums, een idee dat tegenwoordig op het snijvlak van de wetenschap staat.
Volgens Aristoteles (384 - 322 vGT) geloofde Democritus dat de menselijke ziel bestond uit vuuratomen en het lichaam van aardatomen. Dit was in strijd met het geloof van Aristoteles dat de wereld bestaat uit de vier elementen lucht, vuur, aarde en water, en dat de verhouding van de elementen de kenmerken van de materie bepaalde.
Aristoteles geloofde zelfs dat de elementen in elkaar konden worden omgezet, een idee dat de zoektocht naar de Steen der Wijzen gedurende de middeleeuwen heeft aangewakkerd.
Het Democritus-experiment om het bestaan van atomen te bewijzen
Aristoteles noch de even invloedrijke Plato (circa 429 - 347 v.Chr.) Onderschreven de Democritus-deeltjestheorie en het zou 2000 jaar duren voordat de "lachende filosoof" serieus werd genomen. Dat kan iets te maken hebben met het experiment dat Democritus bedacht heeft om zijn theorie te bewijzen, die minder dan overtuigend was.
Democritus redeneerde dat als je een steen of een ander voorwerp neemt en het in tweeën blijft verdelen, je uiteindelijk bij een stuk komt dat zo klein is dat het niet meer kan worden verdeeld. Er wordt gezegd dat hij dit experiment met een zeeschelp heeft uitgevoerd en toen hij de schaal tot een fijn poeder verkleinde dat hij niet langer in kleinere stukken kon snijden, overwoog hij dat bewijs van zijn stelling.
Democritus was een materialist, in tegenstelling tot Plato en Aristoteles, die geloofden dat de doeleinden van gebeurtenissen belangrijker waren dan hun oorzaken. Hij was een pionier in wiskunde en meetkunde, en hij was destijds een van de weinige mensen die geloofden dat de aarde bolvormig was. Zelfs als hij het niet overtuigend kon bewijzen, is zijn concept van atomen die meestal in de lege ruimte bestaan, elk met een beetje klittenband-achtige haak waardoor het verbinding kon maken met andere atomen, niet zo ver verwijderd van het moderne wetenschappelijke model van het atoom.
John Dalton en moderne atoomtheorie
Was de Democritus-theorie correct? Het antwoord is een gekwalificeerde ja, maar het werd zelfs niet als een mogelijkheid tot 1800 beschouwd. Dat was toen John Dalton het opnieuw bezocht terwijl hij werkte aan de wet van constante samenstelling die door de Franse chemicus Joseph Proust was ontwikkeld. De wet van Proust vloeit rechtstreeks voort uit de Wet van behoud van de massa, die was ontdekt door een andere Franse scheikundige, Antoine Lavoisier.
De wet van constante compositie stelt dat een monster van een zuivere verbinding, ongeacht hoe deze wordt verkregen, altijd dezelfde elementen in dezelfde massaverhoudingen bevat. Dalton besefte dat dit alleen waar kon zijn als materie bestond uit ondeelbare deeltjes, die hij atomen noemde (met een knik van het hoofd naar Democritus). Dalton gemaakt vier uitspraken over materie die samen zijn atoomtheorie vormen:
De atomaire theorie van Daltons bleef vrijwel het grootste deel van de negentiende eeuw onveranderd.
Particle Theory Meets the Quantum
Gedurende de negentiende eeuw woedde een debat over de aard van het licht - of het zich nu voortplantte als een golf of als een deeltje. Veel experimenten bevestigden de golfhypothese en nog veel meer bevestigden de corpusculaire. In 1887 ontdekte de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz het foto-elektrische effect toen hij experimenten deed met een vonkbruggenerator. Deze ontdekking bleek veel belangrijker te zijn dan Hertz zich realiseerde.
Rond die tijd heeft de Engelse natuurkundige J.J. Thompson ontdekte het eerste subatomaire deeltje, het elektron, door het gedrag van kathodestralen te onderzoeken. Zijn ontdekking hielp verklaren wat de elektrische ontlading van een geleidende plaat vormde als je er licht op schijnt - wat de fotoëlektrisch effect - maar niet wat de ontlading veroorzaakt, noch waarom de sterkte van de elektrische impuls verband houdt met de lichtfrequentie. De oplossing moest wachten tot 1914.
Niemand minder dan Albert Einstein verklaarde het foto-elektrisch effect in termen van kleine pakketjes energie genoemd Quanta. Deze waren in 1900 voorgesteld door de Duitse natuurkundige Max Planck. De verklaring van Einsteins bewees de kwantumtheorie, en hij kreeg er de Nobelprijs voor.
Quanta, zoals Planck ze opvatte, waren tegelijkertijd deeltjes en golven. Volgens Planck bestond licht uit quanta die fotonen worden genoemd, die elk een bepaalde energie hadden die werd bepaald door de frequentie ervan. In 1913 gebruikte de Deense natuurkundige Neils Bohr de theorie van Plancks om het planetaire model van het atoom te geven, dat in 1911 door de Nieuw-Zeelandse fysicus Ernest Rutherford was voorgesteld, een kwantumvernieuwing.
Het moderne atoom
In het Bohrs-model van het atoom kunnen elektronen van baan veranderen door een foton uit te zenden of te absorberen, maar omdat fotonen afzonderlijke pakketten zijn, kunnen de elektronen alleen in afzonderlijke hoeveelheden van baan veranderen. Twee onderzoekers, James Franck en Gustav Hertz, bedachten een experiment dat de hypothese van Bohrs bevestigde door kwikatomen met elektronen te bombarderen, en ze deden het zonder zelfs maar iets van Bohrs werk te weten.
Met twee aanpassingen heeft het Bohrs-model tot op heden overleefd, hoewel de meeste moderne fysici het als een benadering beschouwen. De eerste aanpassing was de ontdekking van het proton door Rutherford in 1920, en de tweede was de ontdekking van het neutron door de Britse fysicus James Chadwick in 1932.
Het moderne atoom is een bevestiging van de Democritus-deeltjestheorie, maar het is ook iets van een afwijzing. Atomen blijken niet ondeelbaar te zijn, en dat geldt ook voor de elementaire deeltjes waaruit ze bestaan. Je kunt elektronen, protonen en neutronen onderverdelen in kleinere deeltjes die quarks worden genoemd, en het kan zelfs mogelijk zijn om een quark onder te verdelen. De reis door het konijnenhol is nog lang niet voorbij.