Atomteori

Daltons atomteori
Ideen om at alt stof består af små udelelige partikler går tilbage til antikkens Grækenland, hvor den først blev hævdet i 400-tallet f.Kr. af filosofferne Leukippos og Demokrit. Ifølge Demokrit var verden intet andet end atomer, som bevægede sig i det tomme rum. Selv sjælen bestod af atomer.

Atomteorien var kendt i oldtiden, men den nød ikke anerkendelse, hvilket blandt andet skyldtes dens materialistiske karakter, og at den blev opfattet som ateistisk.

Desuden, og ikke mindre alvorligt, troede Aristoteles ikke på eksistensen af atomer. Med den dominerende indflydelse, Aristoteles’ tanker fik i middelalderen og renæssancen, blev teorien om atomer faktisk næsten glemt.

Først i 1600-tallet vakte teorien fornyet interesse blandt ledende videnskabsmænd som Pierre Gassendi (1592-1655), Robert Boyle (1627-1691) og Isaac Newton (1642-1727). Og nu vandt den i vid udstrækning indpas i den nye naturvidenskab.

Der var dog mere tale om en filosofisk doktrin end om en videnskabelig brugbar teori, der kunne forklare eksperimenter og forudsige fænomener.

Først med John Daltons (1766-1844) teori fra starten af 1800-tallet blev den kvalitative atomlære omformet til en kvantitativ og videnskabelig frugtbar teori, der blandt andet kunne redegøre for dannelsen af kemiske forbindelser ud fra grundstoffer.

Dalton opfandt ikke atomet – det havde Demokrit allerede gjort mere end to tusinde år tidligere – men Daltons indsats kan med rette ses som den spæde start på alle senere atom- og molekylteorier i de fysiske og kemiske videnskaber.

Dalton var amatørforsker
John Dalton havde ingen akademisk uddannelse, og hans videnskabelige bidrag var baseret på selvstudier af især matematik, botanik og meteorologi. Han ernærede sig det meste af livet som skoleinspektør, lærer og foredragsholder i området omkring Manchester, hvor han var et aktivt og skattet medlem af Manchester Literary and Philosophical Society, et af tidens mange lærde selskaber for det dannede borgerskab (og et af de få, der stadig eksisterer).

Som amatørforsker var han optaget af mangfoldige emner, herunder meteorologiske observationer og medicinske spørgsmål. I 1795 skrev han en vigtig afhandling om farveblindhed, hvor han benyttede sig selv som forsøgsperson, idet han var rød-grøn farveblind.

Denne form for farveblindhed betegnes undertiden ‘daltonisme’. På trods af disse og andre undersøgelser er han dog i dag mest kendt for de arbejder i teoretisk kemi, der resulterede i atomteorien.

Gas består af frie partikler med en relativ vægt
Det er ikke ganske klart, hvad der motiverede Dalton til en ny opfattelse af atomerne. Han var inspireret af Newtons arbejder, men den vigtigste kilde var nok hans meteorologisk baserede interesse for luftarter eller gasser. Denne interesse fik ham til at foreslå, at trykket i en gasblanding (som for eksempel atmosfærisk luft) ville være summen af de enkelte gassers tryk, således at disse gasser i fysisk forstand virkede uafhængigt af hinanden.

Han forklarede denne lovmæssighed, der kendes som Daltons lov om partialtryk, ud fra en opfattelse af, at en gas består af et stort antal frie partikler eller atomer. Atomerne måtte have en karakteristisk relativ vægt, sluttede han allerede i 1803, om end han først i en bog fra 1808, med den tidstypiske titel A New System of Chemical Philosophy (Et Nyt System for Kemisk Filosofi), fremlagde en samlet beskrivelse af sin atomteori og dens kemiske konsekvenser.

Når ordet ‘filosofi’ indgår i titlen, skal det ikke forstås i en nutidig forstand, men nærmest som ‘videnskab’.

I visse henseender var Daltons begreb om atomer konventionelt, idet han ligesom Demokrit opfattede atomet som en udelelig og permanent stoflig enhed.

‘Ingen nyskabelse og ingen tilintetgørelse finder sted inden for de kemiske omsætninger’ skrev han i bogen, og fortsatte: ‘Vi kan lige så godt forsøge at skabe en ny planet i vort solsystem som at skabe et brintatom. Alt, hvad vi kan forårsage, er at adskille atomer, der før var forbundet, eller forbinde sådanne, der før var adskilt.’

Grundstoffernes atomer er uforanderlige
I dag ved vi, at atomer ikke er de mindste elementer, og at de kan deles, men Daltons atombegreb var nyt og vægtigt, først og fremmest fordi han knyttede ideen om grundstoffer sammen med ideen om atomvægte.

Hvert grundstof, hævdede han, består af en bestemt slags atomer, der er karakteriserede ved en relativ vægt, som kan fastlægges gennem eksperimenter. To atomer, af for eksempel kvælstof og jern, har intet som helst til fælles ud over at være meget små. Mens grundstoffernes atomer er uforanderlige, er det ikke tilfældet med deres kemiske sammensætninger i form af molekyler.

Forvirrende nok brugte Dalton samme navn (‘atom’) for de atomare og molekylære enheder, idet han for eksempel talte om et ‘vandatom’ bestående af et brintatom og et iltatom, og tilsvarende om et ‘sukkeratom’ bestående af kulstof, ilt og brint.

Dalton indførte et kemisk tegnsprog
I sin bog fra 1808 angav Dalton de omtrentlige atomvægte for 20 grundstoffer, idet han valgte at bruge brint som enhed, det vil sige tildele dette grundstof atomvægten 1.

Desuden indførte han et kemisk tegnsprog, hvor hvert tegn havde både en kvalitativ og kvantitativ betydning, idet det henviste til et enkelt atom af et grundstof. Således betegnede ● et kulstofatom og O et iltatom, mens kombinationen ● O svarede til vores kulilte.

Daltons symboler for atomerne vandt dog ingen anerkendelse og blev kun brugt af ham selv. De blev snart erstattet af det mere bekvemme og stadig anvendte alfabetiske system, hvor eksempelvis brint = H, ilt = O og kulstof = C, der i 1814 var blevet foreslået af den fremtrædende svenske kemiker Jöns Jakob Berzelius (1779-1848).

Dalton benægtede dog fordelen ved Berzelius’ system og holdt til sin død i 1844 stædigt fast ved sit eget. I et brev fra 1837 skrev han om svenskerens ‘skrækkelige symboler’: ‘En ung kemistuderende kunne lige så godt lære hebraisk, som at prøve at forstå dem.’

Atomer binder sig til hinanden på den simpleste vis
Daltons innovative atomteori havde både styrker og svagheder. Til svaghederne hørte, at han ingen idé havde om atomernes størrelse, ud over at de var meget små. Men hvor små? Desuden kunne han ikke angive det forhold, hvormed atomerne forbinder sig med hinanden i kemiske forbindelser.

Han mente, at to atomer af samme grundstof ikke kunne kombinere, da de ville frastøde hinanden. Af denne grund kunne der ikke findes molekylære forbindelser som H2 og N2.

Han foreslog yderligere den regel, at atomer forbinder sig med hinanden på den simplest mulige vis, hvilket førte ham til formlerne HO og NH for henholdsvis vand og ammoniak, mens de korrekte formler er H2O og NH3.

Dalton erkendte dog vilkårligheden i sit system, og i A New System dækkede han sig ind ved at indrømme muligheden af, at ‘to brintatomer forener sig med et iltatom’ eller at ‘to iltatomer forener sig med et brintatom’, det vil sige af formlerne H2O og HO2.

Amatørforskeren blev en af nationens store videnskabsmænd
På trods af svaghederne var der tale om en videnskabelig frugtbar teori, der ikke blot kunne forklare mange kemiske fænomener og data, men også forudsige nye sammenhænge. På grundlag af sin teori formulerede Dalton således den såkaldte lov om de ‘multiple proportioner’: Når to grundstoffer, X og Y, danner flere forbindelser indbyrdes, vil de vægtmængder af X, der forbinder sig med samme vægtmængde af Y, forholde sig som små hele tal. (Et eksempel er kulilte CO og kuldioxid CO2, hvor kulstof og ilt indgår i vægtforholdet 1:2).

Loven blev i løbet af få år bekræftet gennem målinger, hvilket forståeligt nok styrkede teoriens anseelse. Amatørforskeren Dalton blev i England værdsat som en af nationens store videnskabsmænd. Han blev æresdoktor ved universiteterne i Oxford og Edinburgh, og da han døde i 1844, fik han en offentlig begravelse i Manchester.

H.C. Ørsted fandt atomteorien direkte frastødende
Fra omkring 1820 anerkendte flere og flere videnskabsmænd Daltons atomteori, der blandt andet blev støttet af den indflydelsesrige Berzelius. Teorien var dog i en periode kontroversiel, og ikke alle brød sig om den.

I Danmark fandt H.C. Ørsted (1777-1851) de daltonske atomer ganske uantagelige, ja direkte frastødende, da de efter hans mening var udtryk for en naiv materialistisk naturopfattelse. Atomvægtene var ganske vist nyttige og kunne bestemmes via eksperimenter, men i sig selv udtrykte de kun forhold mellem vægtmængder i kemiske reaktioner. De kunne fortolkes uden at antage eksistensen af atomer.

Hverken Ørsteds eller andres modstand kunne dog forhindre, at teorien i løbet af 1800-tallet udviklede sig til et næsten uundværligt grundlag for både kemikere og fysikere. Man kunne diskutere, om atomerne nu også virkeligt eksisterede, hvilket man da også gjorde, men denne filosofiske diskussion var for kemikerne at se irrelevant i forhold til teoriens brugbarhed og forklaringskraft. Den virkede jo så fortræffeligt, og det var det afgørende.

Atomet er et kompliceret system
Når vi i dag ser på det moderne atom, som det beskrives af kvantemekanikken, har vi nok lidt svært ved at genkende Daltons næsten barnagtigt anskuelige billardkugler en miniature. Der er en verden til forskel mellem de to opfattelser. Vi ved i dag, at atomet ikke er udeleligt eller permanent, men at det tværtimod er et kompliceret system af elementarpartikler, som kan omskabes til andre atomer.

I dag kan vi faktisk ‘skabe et brintatom’, selv om Dalton i 1808 anså det for at være en grotesk umulighed på linje med at skabe en ny planet i solsystemet.

Man kan faktisk tillade sig at sige, at Daltons atomteori var forkert, endda meget forkert. Men i en historisk forstand var den ekstremt betydningsfuld. Den skabte et nyt og solidt grundlag for de kemiske videnskaber og gav afsæt til vores langt mere sofistikerede atomfysik, der i visse henseender skylder Dalton og hans træbillardkugler sin eksistens.

https://videnskab.dk/miljo-naturvidenskab/store-opdagelser-daltons-atomteori

I nedenstående tabel vises en række moderisotoper med tilhørende datterisotoper, halveringstider og oprindelse.