# Οι πρωτοπόροι για τη δομή του ατόμου

## JOHN DALTON (1766-1844)

Άγγλος δάσκαλος, μετεωρολόγος και χημικός, πρωτοπόρος στην ανάπτυξη της σύγχρονης ατομικής θεωρίας.

Υποστήριξε πρώτος την άποψη ότι η ατμόσφαιρα ήταν ένα φυσικό μείγμα περίπου 80 τοις εκατό αζώτου και 20 τοις εκατό οξυγόνου αντί να είναι μια συγκεκριμένη ένωση στοιχείων σε αντίθεση με τις απόψεις της εποχής και διερεύνησε το ελάττωμα της αχρωματοψίας , από το οποίο υπέφερε, το οποίο είναι γνωστό και ως Δαλτονισμός, από το όνομά του.

Το πιο σημαντικό έργο του Dalton ήταν η ατομική του θεωρία, για την οποία δεν είναι ακριβώς γνωστό που στηρίχτηκε για να την αναπτύξει, αν και ο ίδιος είχε υποστηρίξει ότι στηρίχτηκε "στην έρευνα για τα σχετικά βάρη των τελικών σωματιδίων των σωμάτων".

Περιέγραψε τη μέθοδο μέτρησης της μάζας διαφόρων στοιχείων, συμπεριλαμβανομένου του υδρογόνου, του οξυγόνου, του άνθρακα και του αζώτου, σύμφωνα με τον τρόπο που συνδυάζονται με σταθερές μάζες μεταξύ τους. Για να έχουν νόημα τέτοιες μετρήσεις, τα στοιχεία έπρεπε να συνδυαστούν σε σταθερές αναλογίες. Ο Dalton θεώρησε δεδομένες τις σταθερές αναλογίες, αγνοώντας τη σύγχρονη διαμάχη μεταξύ των Γάλλων χημικών Joseph-Louis Proust και Claude-Louis Berthollet σχετικά με αυτήν ακριβώς την πρόταση.

Παρά τις ατέλειες της θεωρίας του το θεμελιώδες επιχείρημα του ήταν σωστό και αυτό του χάρισε τον τίτλο του “πατέρα της Χημείας”.

1808: JOHN DALTON

1. Η ύλη είναι φτιαγμένη από μικρά αδιαίρετα σωματίδια.
2. Τα άτομα δεν διαιρούνται, ούτε δημιουργούνται, ούτε καταστρέφονται.
3. Τα άτομα του ίδιου στοιχείου είναι όμοια.
4. Τα άτομα διαφορετικών στοιχείων είναι διαφορετικά.
5. Τα άτομα διαφορετικών στοιχείων συνδυάζονται και δημιουργούν μόρια.

## JOSEPH JOHN THOMSON (1856-1940)

Μέλος του Τάγματος της Αξίας και της Βασιλικής Εταιρείας, ανακάλυψε πειραματικά το ηλεκτρόνιο (1894) μετρώντας το λόγο φορτίου/μάζας του ηλεκτρονίου και πρακτικά εφηύρε τον φασματογράφο μάζας. Το 1906 τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής.

Ο Joseph John Thomson γεννήθηκε σε ένα προάστιο του Μάντσεστερ στις 18 Δεκεμβρίου 1856. Σε ηλικία 14 ετών (!!!) έγινε δεκτός στο Owens College του Μάντσεστερ, το 1870, και το 1876 εισήλθε στο Trinity College του Κέιμπριτζ ως ανήλικος λόγιος. Έγινε μέλος του Trinity College το 1880, και παρέμεινε μέλος του κολεγίου για το υπόλοιπο της ζωής του, ενώ έγινε λέκτορας το 1883 και δάσκαλος το 1918. Ήταν καθηγητής Πειραματικής Φυσικής στο Κέιμπριτζ, όπου διαδέχθηκε τον Λόρδο Ρέιλι, από το 1884 έως το 1918, και Επίτιμος Καθηγητής Φυσικής στο Κέιμπριτζ και το Βασιλικό Ινστιτούτο του Λονδίνου.

Ήταν πολυγραφότατος και τιμήθηκε με πολλά μετάλλια, ενώ ανακηρύχθηκε ιππότης το 1908 και επίτιμος διδάκτορας σε πολλά πανεπιστήμια (Οξφόρδης, Δουβλίνου, Λονδίνου, Βικτόριας, Κολούμπια, Κέιμπριτζ, Ντάραμ, Μπέρμιγχαμ, Γκέτινγκεν, Λιντς, Όσλο, Σορβόνη, Εδιμβούργο, Ρέντινγκ, Πρίνστον, Γλασκόβη, Τζονς Χόπκινς, Αμπερντίν, Αθήνα, Κρακοβία και Φιλαδέλφεια).

Στις 30 Απριλίου 1897 ανακοίνωσε κατά τη διάρκεια της βραδινής διάλεξής του στο Βασιλικό Ίδρυμα μια πρωτότυπη μελέτη των καθοδικών ακτίνων με αποκορύφωμα την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου.

Το 1904, κατά τη διάρκεια έξι διαλέξεων για τον ηλεκτρισμό και την ύλη στο Πανεπιστήμιο του Yale, έκανε σημαντικές προτάσεις ως προς τη δομή του ατόμου. Ανακάλυψε μια μέθοδο για τον διαχωρισμό διαφορετικών ειδών ατόμων και μορίων με τη χρήση θετικών ακτίνων, μια ιδέα που αναπτύχθηκε από τους Aston, Dempster και άλλους για την ανακάλυψη πολλών ισοτόπων.

1904: JOSEPH JOHN THOMSON

1. Το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.
2. Σε ένα άτομο τα θετικά και τα αρνητικά φορτία είναι ίσα.
3. Το άτομο είναι φτιαγμένο από μια σφαίρα θετικών φορτίων, μέσα στην οποία βρίσκονται ενσωματωμένα τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (όπως οι σταφίδες στο σταφιδόψωμο).

## ERNEST RUTHERFORD (1871-1937)

Ο E. Rutherford, 1ος Βαρόνος Ράδερφορντ του Νέλσον, μέλος του Τάγματος της Αξίας, μέλος της Βασιλικής Εταιρείας, ανακάλυψε πειραματικά ότι το άτομο έχει συγκεντρωμένο το θετικό φορτίο στο κέντρο του και το αρνητικό περιφερειακά, και ότι το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου είναι κενό και δημιούργησε το πλανητικό μοντέλο του ατόμου.

Tο πείραμα του Rutherford: Βομβάρδισε με σωματίδια α ένα λεπτό φύλλο χρυσού. Παρατήρησε ότι η πλειονότητα των σωματιδίων διαπερνούσαν το φύλλο χρυσού, ορισμένα διαπερνούσαν το φύλλο, αλλά παρουσίαζαν μια μικρή εκτροπή από την αρχική τους πορεία, και λίγα εμφάνιζαν ανάκλαση.

Αυτή η παρατήρηση τον οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το άτομο αποτελούνταν κυρίως από κενό (τα α διαπερνούσαν το φύλλο χρυσού) και υπήρχε και μια πολύ μικρή σε μέγεθος περιοχή μεγάλης πυκνότητας και θετικά φορτισμένη (ανάκλαση – εκτροπή), την οποία ονόμασε πυρήνα. Από τη σκέδαση των σωματιδίων α ανακάλυψε την κατανομή φορτίου στο άτομο και δημιούργησε το ατομικό του μοντέλο, σύμφωνα με το οποίο το άτομο έχει συγκεντρωμένο το θετικό φορτίο στο κέντρο του και το αρνητικό περιφερειακά. Πήρε το βραβείο Νόμπελ Χημείας το 1908 για την εργασία του σχετικά με τη δομή του ατόμου και ηγήθηκε της πρώτης προσπάθειας διάσπασης του ατόμου το 1918.

Είναι ο πρώτος άνθρωπος που μεταστοιχείωσε ένα χημικό στοιχείο, το άζωτο, σε οξυγόνο βομβαρδίζοντας σε κύκλοτρο το άζωτο με ακτίνες α (πυρήνες He). Eίχε προβλέψει στις θεωρίες του την ύπαρξη νετρονίων στα άτομα, κάτι που επαληθεύτηκε το 1932 με την ανακάλυψη του νετρονίου από τον J. Chadtwick. Θεωρείται δικαίως «ο πατέρας» της Πυρηνικής Φυσικής.

1911: ERNEST RUTHERFORD

1. Το άτομο αποτελείται κυρίως από κενό χώρο.
2. Η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη στο κέντρο του ατόμου σε μια πολύ μικρή περιοχή μεγάλης πυκνότητας η οποία είναι θετικά φορτισμένη και λέγεται πυρήνας.
3. Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται σε μεγάλη απόσταση από τον πυρήνα.

## NIELS BOHR (1885-1962)

Δανός φυσικός από τους κορυφαίους του 20ού αιώνα. Ήταν ο πρώτος που εφάρμοσε την κβάντωση της ενέργειας, η οποία περιορίζει την ενέργεια ενός συστήματος σε ορισμένες διακριτές τιμές, σε ατομικό και μοριακό επίπεδο. Για αυτό το έργο έλαβε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1922.

Το 1912-1913, κατά τη διάρκεια μεταδιδακτορικής έρευνας στην Αγγλία με τον Ernest Rutherford στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, προτείνει ένα ατομικό μοντέλο που σταθεροποιεί το ασταθές, σύμφωνα με την κλασική Φυσική, μοντέλο του Rutherford. Σε άρθρα που δημοσιεύθηκαν στο The Philosophical Magazine το 1913, προτείνει ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλάβουν μόνο συγκεκριμένες τροχιές καθορισμένης ενέργειας και μπορούν να μεταπηδούν από τη μία στην άλλη με απορρόφηση ή εκπομπή ακτινοβολίας. Παρότι η ριζοσπαστική θεωρία του δεν έγινε δεκτή από τους περισσότερους φυσικούς εκείνη την εποχή, το ατομικό μοντέλο του Bohr επαλήθευε μεγάλο αριθμό πειραματικών δεδομένων, και κυρίως τη διάσημη σειρά φασματικών γραμμών που εκπέμπεται από το υδρογόνο (γραμμικό φάσμα εκπομπής).

Με πρωτοβουλία του ιδρύθηκε στην Κοπεγχάγη ένα Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής. Στην ομιλία των εγκαινίων για το νέο του ινστιτούτο στις 3 Μαρτίου 1921, τόνισε ότι τα πειράματα και οι πειραματιστές ήταν απαραίτητα σε ένα ινστιτούτο θεωρητικής Φυσικής προκειμένου να ελεγχθούν οι δηλώσεις των θεωρητικών και εξέφρασε τη φιλοδοξία του να κάνει το νέο ινστιτούτο ένα μέρος όπου η νεότερη γενιά φυσικών θα μπορούσε να προτείνει νέες ιδέες.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1920 είχε αναπτύξει ένα περίπλοκο σχέδιο που χτίζει τον περιοδικό πίνακα προσθέτοντας ηλεκτρόνια το ένα μετά το άλλο στο άτομο, σύμφωνα με το ατομικό του μοντέλο. Το 1923 ο Ούγγρος φυσικοχημικός Georg Hevesy, μαζί με τον φυσικό Dirk Coster από την Ολλανδία, εργάζονταν στο ινστιτούτο του Bohr και απέδειξαν πειραματικά ότι το ατομικό στοιχείο 72, που δεν είχε ακόμη ανακαλυφθεί, συμπεριφερόταν όπως προβλέπεται από τη θεωρία του Bohr.

Το στοιχείο ονομάστηκε άφνιο (Λατινικά σημαίνει Κοπεγχάγη).

Το 1926-1927 διατυπώνεται από τον βοηθό του W. Heisenberg η αρχή της αβεβαιότητας, που δηλώνει την αλλαγή παραδείγματος από την κλασική φυσική στην κβαντομηχανική. Ο Bohr, ο Heisenberg κ.ά. διατυπώνουν την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, για την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής, σύμφωνα με την οποία το φως συμπεριφέρεται ταυτόχρονα ως κύμα και ως σωματίδιο, ερμηνεία που βρίσκει κάθετα αντίθετο τον Einstein. Φανατικός πειραματιστής και πιστεύοντας ότι η έρευνα θα μετατοπιστεί από το άτομο στον πυρήνα, το 1930 πείθει το ίδρυμα Ροκφέλερ να χρηματοδοτήσει την κατασκευή κυκλοτρονίου, δηλαδή επιταχυντή σωματιδίων. Η επιβεβαίωση της σχάσης του πυρήνα του ουρανίου και η θεωρητική εξήγηση του φαινομένου ήταν ορισμένες μόνο από τις συνεισφορές του στην επιστήμη.

Ο Bohr βοήθησε πολλούς επιστήμονες να ξεφύγουν από τη ναζιστική Ευρώπη και το 1943 διέφυγε και αυτός στην Αγγλία και στη συνέχεια στην Αμερική.

Αν και είχε καταλάβει ότι υπήρχε η δυνατότητα κατασκευής ατομικής βόμβας, πίστευε ότι οι δυσκολίες είναι απαγορευτικές, αλλά όταν πληροφορήθηκε ότι η κατασκευή της βόμβας προχωρούσε στη Γερμανία, εντάχθηκε στην ομάδα των συμμάχων στο Λος Άλαμος. Πίστευε ότι η ύπαρξη της βόμβας «όχι μόνο θα απαιτούσε, αλλά θα έπρεπε επίσης, λόγω του επείγοντος χαρακτήρα της αμοιβαίας εμπιστοσύνης, να διευκολύνει μια νέα προσέγγιση στα προβλήματα των διεθνών σχέσεων», προσπαθώντας να πετύχει μια ισορροπία, και επέμεινε για αυτό που αποκάλεσε «ανοιχτό κόσμο» μεταξύ των εθνών, έχοντας εμπιστευτική επαφή με πολιτικούς και γράφοντας μια ανοιχτή επιστολή στα Ηνωμένα Έθνη το 1950.

1913: NIELS BOHR

1. Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα σε τροχιές που έχουν συγκεκριμένο μέγεθος και ενέργεια.
2. Η ενέργεια της τροχιάς σχετίζεται με το μέγεθός της. Η χαμηλότερη ενέργεια βρίσκεται στη μικρότερη τροχιά.
3. Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε τροχιές. Μετακινούνται από τροχιά σε τροχιά όταν κερδίζουν ή χάνουν ενέργεια.
4. Όταν αποκτούν ενέργεια, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται σε πιο μακρινή τροχιά από τον πυρήνα. Όταν χάνουν ενέργεια, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται σε πιο κοντινή τροχιά στον πυρήνα.

## 1926: LUIS DE BROGLIE, WERNER HEISENBERG, ERWIN SCHRONDINGER

1. Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως σωματίδια και ως κύματα.
2. Τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε τροχιές, αλλά υπάρχουν σε συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας ως σύννεφο.
3. Το νέφος ηλεκτρονίων είναι η περιοχή των αρνητικών φορτίων που περιβάλλει τον πυρήνα.
4. Τα τροχιακά είναι οι περιοχές του χώρου γύρω από τον πυρήνα με μεγάλη πιθανότητα να βρεθούν τα ηλεκτρόνια.