Artikkel aatomiteooria ja kineetilise teooria kohta
Aatomiteooria
Tuhandeid aastaid uskusid vanad kreeklased, et iga puhas aine (näiteks kuld, raud jne) koosneb aatomitest. Nende sõnul, kui puhas aine lõigata väikesteks tükkideks, siis lõigatakse need pisikesed osad uuesti, seejärel lõigatakse tagasi... ja nii edasi, siis on alles kõige väiksemad tükid, mida ei saa enam lõigata. Kõige väiksemaid tükke, mida ei saa enam lõigata, nimetatakse aatomiteks. Aatom tähendab "ei saa jagada" (kreeka keeles).
Sel ajal peeti aatomit enam jagunematuks. Hiljem avastasid mõned teadlased aga elektronid ja aatomituumad (prootonid ja neutronid), mistõttu oli oletus, et aatomeid ei saa jagada, vale. Seega koosnevad aatomid elektronidest (negatiivselt laetud) ja aatomituumadest. Elektronid tiirlevad ümber tuuma. Tuuma sees on prootonid (positiivselt laetud) ja neutronid (neutraalsed ehk laenguta).
On veel üks teooria, mida nimetatakse pidevaks teooriaks. See teooria väidab, et puhtaid aineid saab jagada lõpmatult. Selle teooria kohaselt pole olemas sellist asja nagu väikseim tükk. Väikseimaid tükke saab ikkagi lõigata väiksemateks tükkideks. Seega saab sellest lõpmatu. Milline neist kahest teooriast on õige? Kas õige aatomiteooria või pideva teooria?
Füüsikas tunnustatakse iga teooriat teaduslikult, kui seda saab katsetega tõestada. 18., 19. ja 20. sajandil pidas aatomiteooria teadlaste läbiviidud katsete kaudu paika.
Esmalt tutvuge järgmiste ülevaadetega. Elemendid on puhtad ained, mida ei saa keemiliselt teisteks aineteks jagada, näiteks kuld (Au), raud (Fe), vask (Cu), tsink (Zn), naatrium (Na), kaltsium (Ca), kloor (Cl), lämmastik (N), hapnik (O), vesinik (H) jne. Lisaks elementidele on ka ühendeid. Ühendid koosnevad elementidest. Kuna need koosnevad elementidest, saab ühendi ikkagi jagada elementideks. Ühendite näideteks on vesi.
Elemendi väikseim osa on aatom, samas kui ühendi väikseim osa on molekul. Molekulid koosnevad kokku kleepunud aatomitest. Puhas kuld on elemendi näide. Puhas kuld koosneb kulla (Au) aatomitest. Rauatükid on samuti elemendi näide. Raud koosneb raua (Fe) aatomitest. Seega on element puhas aine, mis koosneb sarnastest aatomitest.
Vesi, mida sa tihti näed, hoiad ja jood, koosneb veemolekulidest (keemiline valem on H2Oh). Vee molekulid koosnevad kahest vesinikuaatomist (H) ja ühest hapnikuaatomist (O).
Siin on mõned aatomiteooria tõestused:
Esiteks pideva võrdlemise seadus.
Võrdlusseadus ütleb, et kui elemendid ühinevad ühenditeks, on moodustunud ühenditel sama massisuhe. Näiteks sool. Sool, mida me näeme, on ühend, mis koosneb soolamolekulidest (NaCl). Loomulikult moodustuvad soolamolekulid alati 23 osast naatriumist (Na) ja 35 osast kloorist (Cl).
Pidev teooria ei suuda seda seletada, aga aatomiteooria saab. Aatomiteooria kohaselt on aatomid elemendi väikseimad osad, seega on aatomitel mass. Ühendi elementide massisuhe peab olema seotud elementi moodustavate aatomite suhtelise massiga. Teadlased määravad aatomite suhtelise massi iga ühendit moodustava elemendi arvu põhjal. Seda nimetatakse suhteliseks massiks, kuna elemendi suhtelist massi võrreldakse teiste elementide aatomite suhtelise massiga.
Vesinik on kõige kergem aatom, seega kasutatakse seda võrdlusalusena. Vesiniku aatomi (H) suhtelisele massile antakse väärtus 1. Vesiniku aatomi suhtelise massi kasutamisel võrdlusalusena antakse süsiniku aatomi (C) suhtelisele massile väärtus 12,
Hapniku aatomi (O) suhtelisele massile omistatakse väärtus 16 ja nii edasi (vt elementide perioodilisustabelit). Süsiniku aatomi suhteline mass = 12 tähendab, et ühe süsiniku aatomi mass on 12 korda suurem kui ühe vesiniku aatomi (H) mass. Hapniku aatomi suhteline mass = 16 tähendab, et hapniku aatomi mass on 16 korda suurem kui ühe vesiniku aatomi (H) mass.
Rahvusvahelises süsteemis (SI) on meil massistandard, nimelt iriidiumplaatina, mida hoitakse Prantsusmaal asuvates rahvusvahelistes kaalu- ja suurusasutustes. Rahvusvahelise kokkuleppe kohaselt on iriidiumplaatina mass 1 kg, mis on standardkilogramm. Aatomiskaalas on meil ka teine massistandard, milleks on 12C süsiniku aatomid. Rahvusvaheliste kokkulepete kohaselt on 1 süsiniku aatomi 12C mass 12 0000 ühtset aatommassiühikut (lühendatult u).
1 u = 1.66 × 10-27 kg.
Ühe süsiniku aatomi (C) mass = 12,0000 u, ühe vesiniku aatomi (H) mass = 1,0078 u, ühe hapniku aatomi (O) mass = 15,9994 u, ühe naatriumi aatomi mass = 22,9897 u jne. Aatommassi saab tervikuna näha elementide perioodilisussüsteemi tabelist.
Lisaks aatommassile on olemas ka molekulmass. Molekulaarmass on molekuli aatomite kogumass. Näiteks soolamolekuli (NaCl) mass = ühe naatriumi aatomi (Na) mass + ühe kloori aatomi (Cl) mass. Veemolekulide (H2O) = kahe vesinikuaatomi mass (H) + ühe hapnikuaatomi mass (O).
Teiseks, pruun liikumine
Vanal ajal elas inglise bioloog nimega Robert Brown. Ta uuris vette pandud õietolmu (1827). Vesi ja õietolm on mikroskoobi abil nähtavad. Robert Brown leidis, et see on kummaline, nähes õietolmu iseenesest liikumas. See on kummaline, sest õietolm liigub. Õietolmu liikumise suund on suvaline, kuid pidev. Ta kahtlustab, et liikumine on elu, kus õietolm elab, et see saaks liikuda. Kuid tema oletus on vale, sest väikesed orgaanilised osakesed, nagu õietolm, liiguvad samuti vette pannes. Seda liikumist nimetatakse Browni liikumiseks.
Seda avastust ei saa seletada enne kineetilise teooria väljatöötamist.
Kineetiline teooria
Kineetiline tähendab liikumist (kreeka keeles). Kineetiline teooria väidab, et iga aine koosneb aatomitest või molekulidest ning et aatomid või molekulid liiguvad pidevalt juhuslikult.
Liikudes peavad aatomid või molekulid kiirust muutma. Aatomitel või molekulidel on ka mass. Kuna aatomil või molekulil on mass (m) ja kiirus (v), on neil kineetiline energia (EK) ja impulss (p). Kineetiline energia: EK = 1/2 mv2. Samal ajal kui impulss: p = m v. Lisaks impulsile on olemas jõud. Liikumisel on võimalik kokkupõrge. Seega tekivad jõud impulsi muutuste tõttu kokkupõrke korral.
Võime öelda, et kineetiline teooria põhineb kineetilisel energial, impulsil ja jõul. Neid kolme asja uuritakse liikumisdünaamika aines (Newtoni seadused, impulss ja impulss). Erinevus seisneb selles, et kineetilises teoorias rakendame dünaamikat aatomite või molekulide tasandil. Kineetilise teooria töötasid välja Boyle (1627–1691), Daniel Bernoulli (1700–1782), Joule (1818–1889), Kronig (1822–1879), Rudolph Clausius (1822–1888) ja Clerk Maxwell (1831–1879).
Selle kineetilise teooria olemasolu võiks selgitada Browni avastust. Kineetilise teooria kohaselt liigub õietolm kiiresti liikuvate veemolekulide tõttu. Veemolekulide arv on tohutu, seega lükatakse õietolmu edasi erinevatest suundadest.
Pideva võrdluse seaduse ja pruuni liikumise avastamise põhjal usuvad teadlased üha enam aatomiteooriat. Aatomid on mis tahes aine väikseimad tükid. Seega on aatomil suurus. Kui suur on aatom?
1905. aastal uuris Einstein teoreetiliselt aatomite suurust. Aatomiteooria, kineetilise teooria ja katsete kaudu saadud andmete põhjal leidis ta, et aatomi läbimõõt on umbes 10-10 m. Seega saadakse aatomi läbimõõt arvutuse teel. Aatomite suurus on avastatud, seega on tunnustatud nii aatomiteooria kui ka kineetiline teooria.
