För #2 500 # år sedan uppstod i Grekland idén om att naturen är rationell och enkel. Den radikala tanken var grogrunden för den vetenskapliga revolution som fortsätter än idag. Omkring år #450 # f.Kr. hävdade Demokritos, att denna ofattbara rikedom av ämnen och former egentligen döljer en underliggande enkelhet! Se figur #10.1.#

Han hävdade att allt i världen egentligen består av atomer och tomrum men han lyckades inte överbevisa majoriteten i Grekland om sina idéer. Det blev istället elementteorin som segrade. Allt består av elementen jord, vatten, luft och eld. Dessa fyra kunde inte delas upp i enklare beståndsdelar. De var fundamentala.

#10.1# Är världen enkel?

På #1600-# talet lyckades alkemister dela upp elementet vatten i syre och väte. Det tog knäcken på elementteorin och beredde vägen för den moderna atomteorin.

Fram emot #1860-# talet hade kemisterna upptäckt fler än sextio olika grundämnen, dvs. ämnen som inte kan sönderdelas i enklare ämnen. Några var gaser, andra metaller. Några reagerade med varandra, andra inte. Fanns det något system i detta?

Den ryske kemisten Dmitrij Mendelejev #(1834-1907) # ordnade grundämnena efter ökande atommassa. Han lade märke till att grundämnen med liknande egenskaper såg ut att återkomma med ett visst intervall, en viss period. Det fanns luckor i hans system, men Mendelejev trodde så starkt på systemet att han år #1871 # förklarade att luckorna var grundämnen som ännu inte upptäckts! Det var ett stort genombrott då flera av dessa ämnen upptäcktes och det visade sig att de hade exakt de egenskaper som Mendelejev förutsagt. Vackert #- # men vad dolde sig bakom systemet?

#10.2# "Frimärksbild" av periodiska systemet. Före sammanfattningen i nästa kapitel kan du hitta detta system i läsbar storlek.

Mot slutet av #1800-# talet hade man samlat mycket kunskap om materien som stärkte atomhypotesen. Men upptäckterna av radioaktivitet och röntgenstrålning tydde på att atomerna inte var så enkla och oföränderliga som man först hade trott. En central fråga var hur själva atomen var uppbyggd?

Under den här tiden visste forskarna en hel del om vad elektriciteten kunde åstadkomma men man hade ingen kunskap om vad det var som strömmade i ledningarna. Under #1890-# talet gjorde den engelske fysikern Joseph John Thomson försök med katodstrålar: elektriska strömmar genom rör med förtunnad gas. Se figur #10.3. # Resultaten var uppseendeväckande. Thomson kom fram till att katodstrålarna bestod av negativa partiklar med en massa på bara #1/2 000 # av väte­atomens massa. Det finns alltså partiklar som är mindre än en atom!

#10.3# Katodstrålerör.

#10.4# Thomsons bullmodell för atomen.

Thomson kallade dessa partiklar för elektroner. Han ansåg att atomerna innehåller elektroner. Men då måste atomerna också innehålla något som har positiv laddning eftersom atomerna är neutrala. Utifrån detta försökte han skapa en modell av hur en atom kan vara uppbyggd. Han tänkte sig att atomen var kulformad, och att merparten av massan hade positiv laddning. I detta ämne låg elektronerna ungefär som russinen i en vetebulle. Se figur #10.4. # Men vad var det positiva ämnet i bullen? Thomson hade inget bra svar på det.

År #1896 k# om nyzeeländaren Ernest Rutherford till Thomsons laboratorium i Cambridge. Hans första stora upptäckt var att det finns minst två typer av joniserande strålning, alfa #- # och betastrålning. Han visade att alfastrålningen är positiva heliumjoner, och att betastrålningen är elektroner. Joniserande strålning var tydligen något som hängde samman med atomen men den förde med sig mycket större energier än kemiska reaktioner. Hur skulle man kunna få veta mer om dessa atomer som är alltför små för att kunna ses i ett vanligt mikroskop?

Ett sätt skulle kunna vara att skicka de nyupptäckta alfapartiklarna mot atomer och se vad som hände. Rutherford valde att skicka alfapartiklar mot en tunn guldfolie, bara några få atomdiametrar tjock. Alfapartiklarna skulle då möta bara några få atomer på # \sin v# äg genom folien. En detektor bakom folien kunde registrera alfapartiklarna när de passerat genom folien.

Rutherford upptäckte att de flesta alfapartiklarna gick rakt genom folien. Han kom fram till att dessa partiklar inte hade gått mellan guldatomerna, utan tvärs igenom dem. Se figur #10.6. # Bara några få alfapartiklar böjdes av åt sidan. Men Rutherford blev mycket överraskad när han upptäckte att ett litet antal partiklar studsade tillbaka i samma riktning som de kommit! Utifrån bullmodellen var det som att skjuta med pistol genom en vetebulle och upptäcka att vissa kulor studsade tillbaka!

En sak var helt klar, bullmodellen måste vara felaktig. År #1911 # ersattes den därför av Rutherfords planetmodell. Se figur #10.8.#

#10.5# Ernest Rutherford #(1871-1937) # Rutherford var den förste som påvisade atomkärnan.

Joniserande strålning har så stor energi att den kan slå ut elektroner ur atomer som den kolliderar med. Atomerna blir då joner.

#10.6# Rutherfords spridningsförsök.

#10.7# Vad döljer sig under bordet?

Tänk dig ett runt bord täckt av en duk som når ända ner till golvet. Du ska nu försöka lista ut vad som finns under bordet genom att rulla kulor mot bordet. När du ser hur kulorna kommer ut, och hur hög hastighet de har, kan du gissa hur det ser ut under bordet! Med den fot som visas i figuren får du samma resultat som Rutherford.

#10.8# Rutherfords atommodell är som ett elektriskt solsystem i miniatyr. Elektronerna kretsar runt kärnan i ett sfäriskt skal med radien R ≈  #10^{-10} # m. I centrum av det sfäriska skalet finns en kärna med radien r ≈  #10^{-15} # m. I den finns massan och den positiva laddningen koncentrerad.

Observera hur tom en atom är! Om du förstorar atomen så att kärnan blir stor som ett knappnålshuvud med diametern ca #1 # millimeter, så blir elektronerna små prickar som kretsar #100 # m från kärnan! Ändå känns ett bord hårt när du knackar på det.

Nu kan vi förklara Rutherfords försöksresultat: De flesta alfa­partiklarna går genom tomrummet i atomen. Någon enstaka gång kommer en alfapartikel så nära en kärna att den avböjs kraftigt av de elektriska krafterna från kärnan.