Demokrit -470 til -360 Dalton 1776-1844 Rutherford 1871-1937 Bohr 1885-1962 Schrödinger 1887-1961 Atommodeller i et historisk perspektiv Bjørn Pedersen Kjemisk institutt, UiO 31 mai 2007 1
Eleven skal kunne gjøre rede for den historiske utviklingen av atombegrepet beskrive og sammenligne Bohrs atommodell og dagens atommodell 31 mai 2007 2
A-tomos u-delelig Demokrit (-460 til -370) antok at alle stoffer er sammensatt av små, udelelige enheter han kalte atomer. Forskjellen mellom stoffene består i at atomene har forskjellig form, posisjon og orden. 31 mai 2007 3
Grunnstoff Empedokles (-494 til -434) foreslo fire elementer: Jord, vann, luft og ild De tre aggregattilstander og energi? 1789: Lavoisier definerte et grunnstoff som et stoff som ikke lar seg dele i enklere stoffer i boken Traité Élémentaire de chimie. 1661: Boyle var inne på det samme i boken The Sceptical Chymist. 1869: Mendelejev ordnet grunnstoffene i et periodesystem 31 mai 2007 4
31 mai 2007 5
Daltons atommodell 1807: John Dalton (1766-1844) bygget på Demokrit og Lavoisier og antok: Alle stoffer består av atomer. Atomer kan ikke fremstilles eller ødelegges. Atomene av hvert grunnstoff er små, like kuler med en bestemt masse. Atomer av forskjellige grunnstoffer har forskjellig masse. De enkleste molekylene består av to forskjellige grunnstoffatomer (AB). Det kan også eksistere molekyler med flere atomer som AB 2 og AB 3. En kjemisk reaksjon er en refordeling av atomer. Han bestemte eksperimentelt atomvekten av flere grunnstoffer relativt til vekten av hydrogen. Dette arbeidet ble fulgt opp av Berzelius og andre, men hva var formelen for hydrogen: H eller H 2? Det ble først sikkert mer enn 50 år senere. Og at atomer eksisterer ble først akseptert av fysikere 100 år senere. 31 mai 2007 6
Dalton i dag? Kjemikere brukte Daltons atommodell fra tidlig på 1800-tallet, og i skolen brukte man den til midt på 1900-tallet. Den er grunnlaget for: Å skrive reaksjonsligninger Å foreta støkiometriske beregninger Men kunne ikke forklare Syre-basereaksjoner Redoksreaksjoner 31 mai 2007 7
Atomer er delelige! Delene oppdages: 1897: J. J. Thomson oppdager elektronet og måler e/m 1906: E. Rutherford oppdager at mesteparten av massen i et atom er konsentrert i en liten, positivt ladd kjerne. 1920: E. Rutherford foreslår at atomkjernen består av protoner og nøytroner. 1932: J. Chadwick påviser nøytronet eksperimentelt. Klassiske atommodeller 1900: W. Thomson (Lord Kelvin) foreslår at atomet er en sky av positiv ladning med elektroner i (rosinbollemodellen). 1902: G. N. Lewis foreslår en elektronparmodell for atomer og binding mellom atomer i molekyler (oktettregelen). 1911: E. Rutherford foreslår at atomet er en liten kompakt positiv atomkjerne med elektroner svirrende omkring som planetene omkring solen (planetmodellen). Ernest Rutherford (1871-1937) 31 mai 2007 8
Atomer er ikke klassiske 1913: Niels Bohr innfører kvantisering (ΔE = hν) i planetmodellen, men bruker ellers klassisk fysikk. Beregner spektrene fra hydrogenatomer. De passer perfekt med de eksperimentelle spektrene. Beregninger på atomer med flere elektroner eller molekyler passer ikke med eksperimentelle data på tross av mange forsøk i 10 år. 1924: Luis de Broglie foreslår at partikler kan tilskrives en bølge (mv = h/λ). Det bekreftes eksperimentelt samme år. 1926: Erwin Schrödinger foreslår sin bølgelikning som i prinsippet gir en detaljert beskrivelse av atomer og molekyler, men som ikke kan løses eksakt for annet enn noen få enkle systemer som hydrogenatomet. 31 mai 2007 9
Bohrs og dagens atommodell sammenlignet Bohrs modell kan bare brukes til å beregne spektret fra atomer som inneholder ett elektron, men ikke for atomer som inneholder flere elektroner eller for molekyler. Dagens atommodell er Schrødingers atommodell (skallmodellen). Den bygger på kvantefysikk og ikke på klassisk fysikk. Utgangspunktet er schrødingerligningen (HΨ = EΨ). Den kan skrives opp for både for atomer og molekyler. Løsningen er et sett av bølgefunksjoner Ψ i og tilhørende energi nivåer E i. Bølgefunksjonene inneholder alt du kan vite om atomet eller molekylet. Ψ 2 dv er sjansen for å finne et elektron i volumet dv. Schrødingers modell gjorde de første beregninger på elektroner og molekyler mulig allerede på 1920-tallet, men beregningene måtte forenkles sterkt. Den videre utvikling har vært bestemt av bedre tilnærmingsmetoder og stadig bedre regnemaskiner. 31 mai 2007 10
En pedagogisk utfordring Hva gjør vi når Bohrs modell er for enkel og dagens atommodell (skallmodellen) er for kompleks? Bruk ionebinding til å forklare bindingene i salter. Det er de samme elektriske kreftene mellom ioner som binder elektronene og atomkjernene sammen i atomer og molekyler. Bruk skallmodellen til å fortelle at elektronene i et atom er fordelt i skall og underskall (orbitaler). Påpek sammenhengen mellom fordelingen av grunnstoffene i periodesystemet og elektronfordelingen i atomene. Bruk Lewis-modellen for å forklare bindingene mellom atomene i molekyler. Understrek at vi bruker ikke den riktigste modell når vi skal forklare noe, men bruker den som best illustrerer de forhold ved virkeligheten som vi ønsker å forklare. 31 mai 2007 11
Atommodeller på Internett http://mhsweb.ci.manchester.ct.us/library/webquests/atomicmodels.htm http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/schroedinger.html http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/ http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/elements.html 31 mai 2007 12