Wie ontdekte de deeltjestheorie?

De deeltjestheorie van materie werd niet zozeer ontdekt als wel geformuleerd, en die formulering begon in het oude Griekenland.

De persoon aan wie wordt toegeschreven dat hij het idee heeft bedacht dat de wereld is samengesteld uit kleine, ondeelbare deeltjes, is de filosoof Democritus, die leefde van 460 tot 370 vGT. Hij bedacht een experiment om zijn idee te bewijzen, en hoewel het Democritus-experiment misschien overdreven simplistisch lijkt, vandaag heeft het bijgedragen tot het ontstaan ​​van het concept van het atoom, dat centraal staat in het moderne begrip van er toe doen.

In de eeuwen die volgden op het experiment boekte de deeltjestheorie van Democritus niet veel vooruitgang, maar aan het begin van de negentiende eeuw werd het overgenomen door de Engelse scheikundige en natuurkundige John Dalton (1766 - 1844).

Daltons werk bleef bijna een eeuw vrijwel onveranderd totdat een team van moderne natuurkundigen, waaronder namen als Thompson, Rutherford, Bohr, Planck en Einstein, erbij betrokken raakte. Toen begonnen de vonken over te vliegen en ging de wereld het nucleaire tijdperk in.

Het klinkt alsof het woord 'democratie' van zijn naam is afgeleid, maar Democritus was geen politiek filosoof. Het woord komt eigenlijk van de Griekse woorden demo's, wat 'het volk' betekent, en krateïne, wat 'heersen' betekent.

Bekend als de "lachende filosoof" vanwege het grote belang dat hij hechtte aan opgewektheid, bedacht Democritus nog een ander belangrijk woord: atoom. Hij verwees naar de kleine deeltjes waaruit alles in het universum bestaat als: atomen, wat onbreekbaar of ondeelbaar betekent.

Dit was niet zijn enige baanbrekende bijdrage aan de wetenschap. Democritus was ook de eerste die stelde dat het licht dat we van de Melkweg zien het gecombineerde licht is van een veelvoud aan individuele sterren. Hij stelde ook het bestaan ​​van andere planeten voor en postuleerde zelfs het bestaan ​​van meerdere universa, een idee dat tegenwoordig op het snijvlak van de wetenschap staat.

Volgens Aristoteles (384 - 322 vGT) geloofde Democritus dat de menselijke ziel was samengesteld uit vuuratomen en het lichaam uit aardatomen. Dit was in strijd met Aristoteles' overtuiging dat de wereld bestaat uit de vier elementen lucht, vuur, aarde en water, en dat de verhouding van de elementen de kenmerken van de materie bepaalt.

Aristoteles geloofde zelfs dat de elementen in elkaar konden worden omgezet, een idee dat de zoektocht naar de Steen der Wijzen gedurende de middeleeuwen aanwakkerde.

Noch Aristoteles, noch de even invloedrijke Plato (circa 429 - 347 vGT) onderschreven de Democritus-deeltjestheorie, en het zou 2000 jaar duren voordat de "lachende filosoof" zou worden genomen ernstig. Dat zou iets te maken kunnen hebben met het experiment dat Democritus bedacht om zijn theorie te bewijzen, dat niet erg overtuigend was.

Democritus redeneerde dat als je een steen of een ander voorwerp neemt en het in tweeën blijft delen, je uiteindelijk bij een stuk komt dat zo klein is dat het niet meer kan worden gedeeld. Er wordt gezegd dat hij dit experiment met een zeeschelp uitvoerde, en toen hij de schaal reduceerde tot een fijn poeder dat hij niet langer in kleinere stukjes kon snijden, beschouwde hij dat als bewijs van zijn stelling.

Democritus was een materialist, in tegenstelling tot Plato en Aristoteles, die geloofden dat de doeleinden van gebeurtenissen belangrijker waren dan hun oorzaken. Hij was een pionier op het gebied van wiskunde en meetkunde, en hij behoorde destijds tot de weinige mensen die geloofden dat de aarde bolvormig was. Zelfs als hij het niet overtuigend kon bewijzen, bestond zijn opvatting van atomen meestal in lege ruimte, elk met een klein beetje haak in klittenbandstijl die het mogelijk maakte om verbinding te maken met andere atomen, is niet zo ver verwijderd van het moderne wetenschappelijke model van de atoom.

Klopte de theorie van Democritus? Het antwoord is een gekwalificeerd ja, maar het werd pas in 1800 als een mogelijkheid beschouwd. Dat is het moment waarop John Dalton het opnieuw bekeek terwijl hij werkte aan de wet van constante compositie, ontwikkeld door de Franse chemicus Joseph Proust. De wet van Proust vloeide rechtstreeks voort uit de wet van behoud van de mis, die was ontdekt door een andere Franse chemicus, Antoine Lavoisier.

De wet van constante compositie stelt dat een monster van een zuivere verbinding, ongeacht hoe het wordt verkregen, altijd dezelfde elementen in dezelfde massaverhoudingen bevat. Dalton realiseerde zich dat dit alleen waar kon zijn als materie uit ondeelbare deeltjes bestond, die hij atomen noemde (met een hoofdknik naar Democritus). Dalton gemaakt vier uitspraken over materie die samen zijn atoomtheorie vormen:

• Alle materie is samengesteld uit onverwoestbare en ondeelbare deeltjes die atomen worden genoemd.
• Atomen van een specifiek element zijn identiek in massa en eigenschappen.
• Atomen kunnen combineren om verbindingen te vormen.
• Wanneer een chemische reactie optreedt, is dit te wijten aan een herschikking van atomen.

Daltons atoomtheorie bleef het grootste deel van de negentiende eeuw vrijwel onveranderd.

Gedurende de negentiende eeuw woedde er een debat over de aard van licht - of het zich nu als een golf of als een deeltje voortplant. Veel experimenten bevestigden de golfhypothese en nog veel meer bevestigden de corpusculaire. In 1887 ontdekte de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz het foto-elektrisch effect toen hij experimenten deed met een vonkbruggenerator. Deze ontdekking bleek veel belangrijker dan Hertz besefte.

Rond die tijd ontdekte de Engelse natuurkundige J.J. Thompson ontdekte het eerste subatomaire deeltje, het elektron, door het gedrag van kathodestralen te onderzoeken. Zijn ontdekking hielp verklaren wat de elektrische ontlading van een geleidende plaat was als je er licht op schijnt - wat de... fotoëlektrisch effect – maar niet wat de ontlading veroorzaakt en ook niet waarom de sterkte van de elektrische impuls verband houdt met de lichtfrequentie. De oplossing moest wachten tot 1914.

Niemand minder dan Albert Einstein legde het foto-elektrische effect uit in termen van kleine pakketjes energie genaamd kwant. Deze waren in 1900 voorgesteld door de Duitse natuurkundige Max Planck. Einsteins verklaring bewees de kwantumtheorie en hij kreeg er de Nobelprijs voor.

Quanta, zoals Planck ze opvatte, waren tegelijkertijd zowel deeltjes als golven. Volgens Planck was licht samengesteld uit quanta die fotonen worden genoemd en die elk een bepaalde energie hadden die werd bepaald door de frequentie ervan. In 1913 gebruikte de Deense natuurkundige Neils Bohr de theorie van Planck om het planetaire model van het atoom, dat in 1911 door de Nieuw-Zeelandse natuurkundige Ernest Rutherford was voorgesteld, een quantum-do-over te geven.

In Bohr's model van het atoom kunnen elektronen van baan veranderen door een foton uit te zenden of te absorberen, maar aangezien fotonen discrete pakketjes zijn, kunnen de elektronen alleen in discrete hoeveelheden van baan veranderen. Twee onderzoekers, James Franck en Gustav Hertz, bedachten een experiment dat Bohr's hypothese door kwikatomen te bombarderen met elektronen, en ze deden het zonder zelfs maar iets te weten Bohrs werk.

Met twee aanpassingen heeft het model van Bohr het tot op heden overleefd, hoewel de meeste moderne natuurkundigen het als een benadering beschouwen. De eerste wijziging was de ontdekking van het proton door Rutherford in 1920, en de tweede was de ontdekking van het neutron door de Britse natuurkundige James Chadwick in 1932.

Het moderne atoom is een bevestiging van de Democritus-deeltjestheorie, maar het is ook iets van een verwerping. Atomen blijken niet ondeelbaar, en dat geldt ook voor de elementaire deeltjes waaruit ze bestaan. Je kunt elektronen, protonen en neutronen onderverdelen in kleinere deeltjes die quarks worden genoemd, en misschien is het zelfs mogelijk om een ​​quark op te delen. De reis door het konijnenhol is nog lang niet voorbij.