Miten tiedetään montako neutronia,protonia ja elektronia on esimerkiksi...

Miten tiedetään montako neutronia,protonia ja elektronia on esimerkiksi...

Vastaus

Aineen rakennetta on mietitty hyvin pitkään, mutta tarkkoja todisteita asiasta on saatu vasta aivan viime vuosisatoina. 1800-lukuun mentäessä oli jo selvitetty, että on olemassa joitain alkuaineita, joita ei enää kemiallisin menetelmin pystytty pilkkomaan pienempiin osiin. Dmitri Mendelejev järjesti 1863 tunnetut alkuaineet säännönmukaiseksi järjestelmäksi. Mendelejevin jaksollinen järjestelmä sai lisätodisteita, kun järjestelmän aukkokohtiin löydettiin uusia alkuaineita, joiden ominaisuuksia pystyttiin ennakoimaan järjestelmän pohjalta.

Jo antiikin Kreikassa filosofit Leukippos ja Demokritos olivat heittäneet ilmaan ajatuksen, että aine koostuisi jakamattomista perusosasista eli atomeista. Atomistien ajatukset hävisivät aluksi Aristoteleen ainekäsitykselle, jonka mukaan aine on pikemminkin jatkuvaa massaa, jota voi jakaa yhä pienempiin ja pienempiin osiin. Uudella ajalla atomistien ideat herätettiin uudelleen henkiin, mutta aitoja vahvistuksia aineen atomaarisesta luonteesta saatiin odottaa vuoteen 1906, jolloin Einstein näytti, että niin sanottu Brownin liike saatiin uskottavasti selitettyä atomien avulla: nesteessä olevat pölyhiukkaset näyttävät mikroskoopin läpi katsottuna poukkoilevan puolelta toiselle, koska nesteen atomit tönivät lämpöliikkeellään hiukkasia ympäriinsä.

Alun perin atomien ajateltiin siis olevan jakamattomia möykkyjä, mutta J.J. Thomsonin kokeet katodisädeputkilla 1897 vihjasivat asian olevan toisin. Katodisädeputkessa lasipullotyhjiöön sijoitetaan kaksi metallinpalaa, joista toiseen eli katodiin johdetaan negatiivista ja toiseen eli anodiin negatiivista sähköä, jolloin katodista alkaa erittyä valaiseva säde. Thomson näytti, että tämän katodisäteen suuntaa pystyy säätelemään sähkövirtauksilla. Tästä pystyttiin päättelemään, että säde koostui negatiivisesti varatuista hiukkasista, joilla kaiken lisäksi oli massa. Massan saattoi näille elektroneille jopa laskea, jolloin selvisi, että ne ovat atomeita paljon pienempiä otuksia.

Thomson oli ehdottanut, että negatiivisesti varautuneet elektronit kelluvat atomien positiivisesti varautuneessa massassa kuin rusinat pullissa. Radioaktiivisten aineiden löytyminen mahdollisti kuitenkin tarkempia kokeita, joissa rusinapullateoria voitiin todistaa virheelliseksi. Radioaktiiviset aineet päästelevät ympäristöönsä erilaisia hiukkasia ja säteitä, esimerkiksi alfasäteilyksi kutsuttuja heliumioneja, joilla on positiivinen sähkövaraus. Vuonna 1909 radioaktiivisia aineita tutkinut professori Rutherford antoi opiskelija Marsdenille tehtäväksi tutkia, mitä tapahtuu, kun alfasäteilyllä pommitetaan kultalevyä. Rutherford ja Murshden huomasivat pian, että heliumionien suunta taipui joskus uskomattoman paljon: sopivan tilaisuuden tullen ne saattoivat jopa kimmota kovaa vauhtia takaisin päin. Heidän selityksensä oli, että atomien positiivisesti varattu massa oli keskittynyt isoksi ytimeksi, jota elektronit kiersivät ja joiden sähkövaraus vaikutti niiden läheltä liitävien ionien lentorataan.

Kuvaa atomien rakenteesta täydensi vielä Robert Millikanin 1911 tekemä huomio, että sähkövarauksella on tietty jakamaton yksikkö: nyt oli luonnollista ajatella, että yhdellä elektronilla oli tämän yksikön verran negatiivista sähkövirtaa. Tavallisen atomin tiedettiin olevan sähköisesti neutraali: elektronien yhteenlaskettua varausta täytyi siis vastata ytimen vastaava positiivinen varaus.

Atomeja oli jo jonkin aikaa pystytty myös ionisoimaan eli tekemään niistä positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita. Uuden teorian mukaan ionisointi tapahtui joko poistamalla atomista yksittäisiä elektroneja tai lisäämällä siihen elektroneja. Vedyn tapaisilla kevyillä aineilla pystyttiin helposti saavuttamaan taso, jossa atomien positiivista varausta ei enää pystytty lisäämään eli elektroneja ei enää pystytty ottamaan atomista pois. Tästä oli sitten helppo päätellä, montako elektronia ytimen ympärillä kiersi: samalla tietysti selvisi myös ytimen positiivinen lataus.

Raskaammilla aineilla samaa metodia ei pystytty käyttämään, mutta niiden elektronien määrän ja ytimen latauksen pystyi toteamaan epäsuoremmin. Ytimet, joilla on isompi sähkölataus, kimmottavat enemmän atomiin lähetettyä alfasäteilyä: jos esimerkiksi alfasäteilyä ammutaan kulta- ja kuparilevyihin, kultalevy kimmottaa säteilyä enemmän. Itse asiassa, jos toisen aineen ytimien lataus tiedetään, pystytään kimmottujen alfahiukkasten määriä vertailemalla laskemaan myös toisenkin lataus. Ja kun ytimen lataus on saatu laskettua, tiedetään, montako elektronia ydintä kiertää.

Koska atomiytimen sähkövaraus oli aina jokin sähkövarausyksikön monikerta, oli luonnollista ajatella, että ydinkin jakautui erillisiin yksiköihin eli protoneihin, joita siis olisi ytimessä yhtä paljon kuin elektroneja. Rutherford keksi kokeilla, mitä tapahtuisi, jos alfahiukkaset eivät vain ohittaisi ydintä, vaan sattumalta törmäisivät siihen. Onnistuneen törmäyksen jäljiltä ympäriinsä lensi hiukkasia, joiden ominaisuudet vastasivat vety-ytimen ominaisuuksia: koska vety-ytimen piti olla juuri yksiprotoninen, protonien olemassaololle saatiin näin kokeellista vahvistusta.

Neutronien olemassaoloa taas alettiin epäillä, kun huomattiin, että atomien massa ei aivan vastannut sitä, mitä niiden oletusten mukaan piti olla: atomien massa koostuu suurimmaksi osaksi ytimien massasta, joten eri atomityyppien massojen olisi pitänyt olla hyvin lähellä vetyatomin massan monikertoja, jos ydin olisi koostunut pelkistä protoneista. Jälleen atomiydinten ja heliumionien onnekkaitten törmäysten jälkeen löytyi jälkiä uudesta hiukkasesta, joka oli juuri sähköisesti varaukseton neutroni. Kun neutronin massakin saatiin selvitettyä, pystyttiin alkuaineiden tunnetuista painoista laskemaan, kuinka monta neutronia kunkin alkuaineen atomiytimessä oli.

Lisää aiheesta:
http://www.lightandmatter.com/area1book4.html

Kommentit (0)

Vastauksesi