Artikel über die Atomtheorie und die kinetische Theorie
Atomtheorie
Jahrtausendelang glaubten die alten Griechen, dass jeder reine Stoff (wie Gold, Eisen usw.) aus Atomen besteht. Ihrer Ansicht nach kann man einen reinen Stoff in kleine Teile zerlegen, diese wiederum weiter zerteilen usw., bis man schließlich die kleinsten, unteilbaren Teile erhält. Diese kleinsten, unteilbaren Teile nennt man Atome. Atom bedeutet im Griechischen „unteilbar“.
Damals ging man davon aus, dass das Atom unteilbar sei. Später entdeckten Wissenschaftler jedoch Elektronen und Atomkerne (Protonen und Neutronen), wodurch sich die Annahme, Atome seien unteilbar, als falsch erwies. Atome bestehen also aus Elektronen (negativ geladen) und Atomkernen. Die Elektronen umkreisen den Atomkern. Im Inneren des Atomkerns befinden sich Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral).
Es gibt noch eine andere Theorie, die sogenannte Kontinuumstheorie. Diese besagt, dass reine Stoffe unendlich weiter zerteilt werden können. Laut dieser Theorie gibt es kein kleinstes Teilchen. Selbst kleinste Teilchen lassen sich weiter zerteilen, sodass die Anzahl unendlich wird. Welche dieser beiden Theorien ist korrekt? Die Atomtheorie oder die Kontinuumstheorie?
In der Physik gilt jede Theorie als wissenschaftlich anerkannt, wenn sie experimentell bewiesen werden kann. Im 18., 19. und 20. Jahrhundert wurde die Atomtheorie durch Experimente von Wissenschaftlern bestätigt.
Zunächst sollten Sie die folgenden Erläuterungen verstehen. Elemente sind reine Stoffe, die chemisch nicht in andere Stoffe zerlegt werden können, zum Beispiel Gold (Au), Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Natrium (Na), Calcium (Ca), Chlor (Cl), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Wasserstoff (H) usw. Neben den Elementen gibt es auch Verbindungen. Verbindungen bestehen aus Elementen. Da sie aus Elementen bestehen, können sie dennoch in Elemente zerlegt werden. Ein Beispiel für eine Verbindung ist Wasser.
Der kleinste Bestandteil eines Elements ist ein Atom, der kleinste Bestandteil einer Verbindung hingegen ein Molekül. Moleküle bestehen aus Atomen, die miteinander verbunden sind. Reines Gold ist ein Beispiel für ein Element. Reines Gold besteht aus Goldatomen (Au). Auch Eisenstücke sind Beispiele für Elemente. Eisen besteht aus Eisenatomen (Fe). Ein Element ist also ein reiner Stoff, der aus gleichen Atomen besteht.
Das Wasser, das Sie oft sehen, in der Hand halten und trinken, besteht aus Wassermolekülen (die chemische Formel lautet H₂O ) . Wassermoleküle bestehen aus zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O).
Hier sind einige Beweise für die Atomtheorie:
Erstens das Gesetz des ständigen Vergleichs.
Das Gesetz der Massenvergleichung besagt, dass Verbindungen aus Elementen immer das gleiche Massenverhältnis aufweisen. Ein Beispiel dafür ist Salz. Das Salz, das wir sehen, ist eine Verbindung aus Salzmolekülen (NaCl). Salzmoleküle bestehen stets aus 23 Teilen Natrium (Na) und 35 Teilen Chlor (Cl).
Die Kontinuumstheorie kann dies nicht erklären, die Atomtheorie hingegen schon. Laut Atomtheorie sind Atome die kleinsten Bausteine eines Elements und besitzen daher Masse. Das Massenverhältnis der Elemente einer Verbindung steht im Verhältnis zur relativen Masse der Atome, aus denen das Element besteht. Anhand der Anzahl der einzelnen Elemente in den Verbindungen bestimmen Wissenschaftler die relative Masse der Atome. Diese relative Masse eines Elements wird mit der relativen Masse der Atome anderer Elemente verglichen.
Wasserstoff ist das leichteste Atom und dient daher als Vergleichswert. Die relative Masse eines Wasserstoffatoms (H) wird mit 1 angegeben. Unter Verwendung der relativen Masse eines Wasserstoffatoms als Vergleichswert wird die relative Masse des Kohlenstoffatoms (C) mit 12 angegeben.
Die relative Masse des Sauerstoffatoms (O) beträgt 16 usw. (siehe Periodensystem der Elemente). Die relative Masse eines Kohlenstoffatoms beträgt 12, was bedeutet, dass die Masse eines Kohlenstoffatoms 12-mal größer ist als die Masse eines Wasserstoffatoms (H). Die relative Masse eines Sauerstoffatoms beträgt 16, was bedeutet, dass die Masse eines Sauerstoffatoms 16-mal größer ist als die Masse eines Wasserstoffatoms (H).
Im Internationalen Einheitensystem (SI) gibt es einen Massenstandard, nämlich Iridiumplatin, das in internationalen Institutionen für Gewicht und Größe in Frankreich aufbewahrt wird. Gemäß internationaler Vereinbarung beträgt die Masse von Iridiumplatin 1 kg; dies ist ein Standardkilogramm. Auf atomarer Ebene existiert ein zweiter Massenstandard: Kohlenstoff-12-Atome. Basierend auf internationalen Vereinbarungen beträgt die Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms 12.000 atomare Masseneinheiten (u).
1 u = 1.66 x 10 -27 kg.
Die Masse eines Kohlenstoffatoms (C) beträgt 12,0000 u, die eines Wasserstoffatoms (H) 1,0078 u, die eines Sauerstoffatoms (O) 15,9994 u, die eines Natriumatoms 22,9897 u usw. Die Atommasse ist vollständig im Periodensystem der Elemente zu finden.
Neben der Atommasse gibt es auch die Molekülmasse. Die Molekülmasse ist die Gesamtmasse der Atome eines Moleküls. Beispielsweise entspricht die Masse eines Salzmoleküls (NaCl) der Masse eines Natriumatoms (Na) plus der Masse eines Chloratoms (Cl). Die Masse eines Wassermoleküls (H₂O ) entspricht der Masse von zwei Wasserstoffatomen (H) plus der Masse eines Sauerstoffatoms (O).
Zweitens, braune Bewegung
In der Antike lebte ein englischer Biologe namens Robert Brown. Er untersuchte Pollen in Wasser (1827). Wasser und Pollen sind unter dem Mikroskop sichtbar. Robert Brown fand es seltsam, als er beobachtete, wie sich die Pollen von selbst bewegten. Es war ungewöhnlich, dass sich die Pollen bewegten. Die Richtung dieser Bewegung war zwar zufällig, aber sie erfolgte kontinuierlich. Er vermutete, dass diese Bewegung ein Lebewesen sei, ein Organismus, der die Bewegung ermöglicht. Doch seine Vermutung war falsch, denn auch kleine organische Partikel wie Pollen bewegen sich in Wasser. Diese Bewegung wird Brownsche Molekularbewegung genannt.
Diese Entdeckung lässt sich erst mit der Entwicklung der kinetischen Gastheorie erklären.
Kinetische Theorie
Kinetisch bedeutet Bewegung (griechisch). Die kinetische Theorie besagt, dass jeder Stoff aus Atomen oder Molekülen besteht und dass sich Atome oder Moleküle ständig und zufällig bewegen.
Wenn sich Atome oder Moleküle bewegen, müssen sie eine Geschwindigkeit erreichen. Atome oder Moleküle besitzen auch Masse. Da sie Masse (m) und Geschwindigkeit (v) haben, besitzen sie kinetische Energie (EK) und Impuls (p). Kinetische Energie: EK = 1/2 mv² . Impuls: p = mv. Zusätzlich zum Impuls wirken Kräfte. Bei der Bewegung besteht die Möglichkeit von Kollisionen. Kräfte entstehen also durch die Impulsänderung bei einer Kollision.
Die kinetische Gastheorie basiert auf kinetischer Energie, Impuls und Kraft. Diese drei Größen werden in der Bewegungsdynamik untersucht (Newtonsche Gesetze, Impulsgesetz und Impulserhaltungssatz). Der Unterschied besteht darin, dass die kinetische Theorie die Dynamik auf der Ebene von Atomen oder Molekülen anwendet. Entwickelt wurde die kinetische Gastheorie von Boyle (1627–1691), Daniel Bernoulli (1700–1782), Joule (1818–1889), Kronig (1822–1879), Rudolf Clausius (1822–1888) und Clerk Maxwell (1831–1879).
Die Existenz dieser kinetischen Theorie könnte Browns Entdeckung erklären. Laut dieser Theorie bewegt sich Pollen, weil er von schnell fließenden Wassermolekülen angetrieben wird. Da die Anzahl der Wassermoleküle enorm ist, wird der Pollen aus verschiedenen Richtungen bewegt.
Auf der Grundlage des Gesetzes der konstanten Proportionalität und der Entdeckung der Brownschen Molekularbewegung findet die Atomtheorie zunehmend Anerkennung unter Wissenschaftlern. Atome sind die kleinsten Bausteine jeglicher Materie. Daher hat das Atom eine bestimmte Größe. Wie groß ist ein Atom?
Im Jahr 1905 untersuchte Einstein theoretisch die Größe von Atomen. Basierend auf der Atomtheorie, der kinetischen Gastheorie und experimentell gewonnenen Daten fand er heraus, dass der Atomdurchmesser etwa 10⁻¹⁰ m beträgt . Der Durchmesser des Atoms wurde also berechnet. Mit der Entdeckung der Atomgröße wurden sowohl die Atomtheorie als auch die kinetische Gastheorie anerkannt.
