The  Story  of  the  Atom  

 

A  history  of  atomic  theory  over  many  years  

 

 

Democritus    Many  years  ago,  between  460BC  and  370BC  the  Greek  philosophers  wondered  what  we  were  made  of.  Leucippus  and  Democritus  came  up  with  the  atomic  theory,  stating  that  "the  universe  is  composed  of  two  elements,  the  atoms  and  the  void  in  which  they  exist  and  move."      

Democritus'  theory:  1.  Matter  is  composed  of  empty  space  through  which  atoms  move  2.  Atoms  are  solid,  homogeneous,  indestructible  &  indivisible.  3.  Different  kinds  of  atoms  have  different  sizes  and  shapes  4.  The  different  sizes  and  shapes  cause  the  different  properties  of  matter  5.  Changes  in  matter  are  due  to  changes  in  groupings  of  atoms,  not  because  the  atom  it  self  changes.    Democritus  thought  we  were  all  made  of  small  solid  particles  that  cannot  be  divided.    He  said  that  these  were  called  "atomos"  meaning  indivisible.    Without  any  of  the  scientific  tools,  there  was  no  evidence  to  back  this  up,  but  the  term  "atom"  and  the  original  thought  of  what  an  atom  is  came  from  Democritus.    At  the  same  time  Aristotle's  theory  was  that  all  matter  consists  of  4  elements,  fire,  water,  air  &  earth,  and  that  the  combination  of  these  elements  gives  each  material  its  qualities.    This  theory  went  on  to  influence  the  alchemists  for  about  2,000  years.  

Alchemy  For  the  next  few  thousand  years  many  discoveries  were  made.    Alchemy  began  around  300BC  and  continued  until  the  1700's  when  the  science  of  chemistry  began.  The  alchemists  developed  many  of  the  tools  we  use  for  science  today  in  order  to  pursue  their  dreams  of  finding  one  of  two  things:  

 One  goal  of  the  alchemists  was  to  turn  "base  metals"  the  inexpensive  metals,  into  gold.    The  other  goal  was  to  find  eternal  life  through  creation  of  the  "Philosophers  stone"  or  the  "elixir  of  life".    Although  neither  of  these  tasks  were  possible,  the  experimentation  of  the  alchemists  lead  its  way  into  the  science  we  now  know  as  chemistry.    Alchemists  used  experiment  and  observations  to  learn  about  the  world  around  them.  

 In  the  18th  century  we  began  to  practice  modern  chemistry.    One  main  difference  was  that  Chemistry  was  quantitative,  meaning  that  everything  was  measured  and  could  be  studied  that  way.    Alchemy  was  primarily  Qualitative,  looking  merely  at  the  physical  outcome  and  physical  properties,  without  significant  measurement.    Realizing  that  "air"  was  made  of  "gasses"  was  a  huge  turning  point,  because  it  meant  that  Aristotle  was  wrong  about  air  being  an  element  itself.    The  ability  to  measure  everything  that  went  into  and  out  of  an  experiment  was  a  significant  change  in  science,  leading  to  the  Quantitative  science  of  chemistry,  where  the  temperature  

and  mass  of  all  substances  was  recorded  during  reactions.      You  will  learn  about  some  of  the  key  chemists  in  the  transition  from  Alchemy  to  Chemistry  throughout  the  school  year.    Robert  Boyle  objected  to  the  Aristotelian  elements.    Antoine  Lavoisier  began  "the  chemical  revolution"  with  his  law  of  conservation  of  Mass,  stating  that  no  matter  can  be  created  or  destroyed.    It  is  then,  in  1773,  that  Chemistry  was  truly  born.    

Antoine  Lavoisier  Robert  Boyle  

Dalton  In  1803,  John  Dalton  wanted  to  condense  the  information  that  was  known  about  the  atom.    Through  many  quantitative  experments,  he  was  able  to  discover  mass  ratios  of  elements  involved  in  reactions,  leading  to  further  development  of  the  ideas  that  Democritus  had  two  thousand  years  earlier.    He  ended  up  with  5  statements  that  make  up  Dalton's  atomic  theory.        

DALTON'S  ATOMIC  THEORY:  1803  

1.  All  matter  is  made  of  extremely  tiny  particles  called  atoms  

2.    All  atoms  of  a  given  element  are  identical  in  mass  and  properties,  and  they  are  

different  from  any  other  element  

3.  Atoms  cannot  be  created,  divided  into  smaller  particles  or  destroyed.  

4.  Atoms  combine  in  simple  whole  number  ratios  to  form  compounds  

5.  In  chemical  reactions,  atoms  are  separated,  combined  or  rearranged.  

 Although  we  have  found  some  exceptions  for  the  above  rules  in  the  last  200+  years  (isotopes,  nuclear  reactions  &  subparticles),  these  are  key  ideas  that  were  used  as  the  foundation  of  modern  chemistry.  Dalton  considered  the  atom  to  be  a  sphere,  and  that  the  atom  was  the  smallest  possible  particle.  

JJ.  Thompson  Scientists  like  to  study  the  unknown.    If  you  have  ever  been  shocked  when  you  touched  a  friend  or  a  piece  of  metal  and  wondered  what  just  happened,  you  are  not  unlike  JJ  Thompson  and  other  early  scientists  who  decided  to  study  this  phenomenon.  

 What  they  did  was  take  a  glass  tube  and  pump  most  of  the  air  out  of  it.    They  then  passed  electricity  through  the  tube.    They  found  that  the  electricity  formed  rays  from  the  cathode  to  the  anode  across  the  tube,  giving  it  the  name  Cathode  Ray  Tube  or  CRT.      By  the  end  of  the  1800's  they  had  found  that  these  "rays"  were  actually  a  stream  of  negatively  charged  particles.  

 In  the  1890's  JJ  Thompson  decided  to  find  out  how  much  mass  each  particle  had  when  compared  to  it's  charge.    The  amazing  thing  was  that  JJ  Thompson  found  out  that  the  mass  of  one  of  these  particles  was  smaller  than  the  Hydrogen  atom...  but  at  the  time  it  was  thought  that  the  Hydrogen  atom  was  the  smallest  possible  particle!        This  meant  that  this  particle,  called  the  electron,  was  smaller  than  an  atom,  and  was  part  of  what  made  up  an  atom.    JJ  Thompson  had  disproved  Dalton  and  found  that  Atoms  were  divisible  into  smaller  subatomic  particles,    because  the  electron  was  one  of  them!    BEFORE  JJ  Thompson:         DISCOVERY:  1890         After  JJ  Thompson  

                                                                               Electrons  are  a  sub  atomic  particle      

Atoms  are  the  smallest  particle  

 Plumb  Pudding  Model:  Atoms  are  made  of  negative  electrons  in  a  positive  sphere.  

Ernest  Rutherford      Rutherford  wanted  to  find  out  what  happens  when  you  pass  alpha  particles  (emitted  from  a  radioactive  source)  were  passed  through  an  atom.    Because  gold  could  be  made  very  very  thin  without  breaking,  he  decided  a  very  thin  piece  of  gold  foil  would  be  the  perfect  way  to  do  his  experiment.    If  the  radioactive  source  was  in  a  small  box  with  one  hole,  the  alpha  particles  would  make  a  stream.      

 Rutherford  thought  the  atom  looked  like  JJ  Thompson's  plumb  pudding  model,  and  so  he  thought  that  most  of  these  positive  alpha  particles  would  go  right  through,  but  some  would  pass  close  enough  to  electrons  for  them  to  shift  their  path  slightly.      When  he  began  his  experiment  and  some  of  the  particles  bounced  backwards  he  

said  "it  is  like  shooting  a  missile  at  a  piece  of  paper  and  having  it  bounce  back  at  you"  because  the  actual  results  were  so  unexpected.    The  alpha  particle  was  very  large  and  the  only  way  for  it  to  bounce  back  is  if  there  was  something  with  greater  density  inside  the  atom.        

Based  on  these  findings,  the  atom  could  not  look  like  JJ  Thompson  had  modeled  it.    Rutherford  considered  the  data  in  order  to  come  up  with  a  new  atomic  model.    The  only  way  this  could  have  happened  is  if  there  was  a  tiny  dense  region  he  called  the  nucleus  in  the  center  of  the  atom.    He  concluded  it  contained  all  of  the  positive  charge  and  most  of  its  mass.    He  said  that  the  positively  charged  particles  in  the  nucleus  were  protons.  The  rest  of  the  atom,  about  99.999%  of  its  volume,  was  empty  space!  

 Before  Rutherford:                                                                        Discoveries  1911-­1920                                                                    After  Rutherford:  

                                                                                         Dense  nucleus  contains      positive  protons     The  atom  is  99.99%      empty  space  

 Plumb  Pudding  Model:  Atoms  are  made  of  negative  electrons  in  a  positive  sphere.  

Rutherford's  Model  includes  a  central  nucleus  made  of  protons  and  electrons  moving  through  empty  space  

Niels  Bohr  When  Rutherford  discovered  the  nucleus,  it  was  known  that  a  new  model  of  the  atom  was  needed.    Bohr  created  his  idea  of  the  atomic  model  in  1915,  and  it  can  also  be  called  the  "planetary  model"  of  the  atom.    The  electrons  orbit  the  nucleus  like  planets  orbiting  the  sun.    No  actual  image  of  this  model  can  be  "to  scale"  because  if  the  atom  was  2  football  fields  in  diameter,  the  nucleus  would  be  the  size  of  a  nickel.    This  means  hat  no  model  of  the  atom  is  actually  to  scale.        The  key  to  the  Bohr  model  is  that  the  orbits  are  quantized,  meaning  they  are  at  specific  distances  from  the  nucleus,  with  no  orbitals  (no  electrons)  in  between.    Each  orbital  has  an  energy  level.    If  the  electrons  are  in  the  lowest  available  orbital  they  are  in  the  ground  state,  but  they  can  move  up  to  higher  levels  if  they  are  excited  by  energy.        Each  element  has  different  distances  between  the  nucleus  and  orbitals,  giving  that  element  specific  properties.      You  will  study  this  more  in  depth  when  you  find  out  more  about  electron  configuration,  but  the  organization  of  electrons  into  these  "orbitals"  is  the  key  to  many  properties  of  each  type  of  atom.                                      Before  Bohr         Discovery:  1915           After  Bohr           Bohr  merged  the  ideas  of               Rutherford  and  Plank  to  build           a  model  of  the  atom  explaining           the  behavior  of  electrons  

Rutherford's  Model  includes  a  central  nucleus  made  of  protons  and  electrons  moving  through  empty  space  

The  Bohr  model  shows  electrons    orbiting  around  the  nucleus  at  quantized  levels  

James  Chadwick  Chadwick  worked  in  Rutherford's  lab,  where  they  bombarded  all  kinds  of  things  with  alpha  particles,  studying  the  atomic  nuclei.      He  set  up  an  experiment  where  he  shot  alpha  particles  at  beryllium  foil,  which  caused  an  uncharged  radiation  to  be  emitted.    This  radiation  hit  the  wax,  which  bumped  the  protons  off  of  the  wax.    Using  charges  he  was  able  to  discover  that  the  radiation  from  the  beryllium  was  not  charged,  however  it  had  mass.    This  was  the  discovery  of  a  neutral  particle  with  mass  that  Chadwick  called  the  neutron.        Chadwick  worked  with  Hans  Geiger  (of  the  Geiger  counter)  until  he  was  imprisoned  in  Germany  during  WWI,  then  moved  to  America  and  eventually  went  on  to  be  part  of  the  Manhattan  project,  developing  the  world's  first  atomic  weapons.        Before  Chadwick      

The  Bohr  model  shows  electrons    orbiting  around  the  nucleus  at  quantized  levels  

 

After  Chadwick  

           

The  nucleus  now  has  protons  AND  neutrons.  

Discovery:  1932  

The  atom  contains  neutral  particles  with  large  mass  in  the  nucleus.    These  are  called  neutrons.    

Schrodinger  The  Bohr  model  continues  to  be  a  helpful  way  to  imagine  the  distribution  of  electrons  and  some  of  the  behaviors  of  electrons,  but  Schrodinger  set  out  to  include  more  information  about  the  orbitals  and  the  dual  wave-­‐particle  nature  of  the  electron.    His  model  is  based  on  probability,  because  we  cannot  know  where  an  electron  is,  but  rather  where  it  might  be.        

Schrodinger  uses  quantum  numbers  as  coordinates  to  describe  the  size,  shape  and  orientation  in  space  of  the  orbitals.    His  model  is  known  as  the  Quantum  Mechanical  Model  of  the  atom.      The  probable  area  of  finding  an  electron  is  represented  by  an  electron  cloud  in  the  shape  of  the  orbital.        Each  electron  pair's  probability  is  represented  by  an  orbital  cloud  and  these  orbitals  are  all  layered  over  one  another  to  make  the  atom:  

 

Before  Schrodinger  

 

         The  Bohr  model  shows  electrons  orbiting  the  nucleus  

Discovery:  1926  

The  electrons  behave  based  on  probability  and  can  be  thought  of  as  a  particle  or  a  wave  

After  Schrodinger  

The  current  model  of  the  atom  is  known  to  have  orbital  clouds  representing    electrons  probable  locations.  

 This  booklet  was  created  by  Jewyl  Clarke  using  Glencoe's  Matter  and  Change  as  well  as  the  following  references    http://the-­‐history-­‐of-­‐the-­‐atom.wikispaces.com/  http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/atoms/dalton-­‐postulates.shtml  http://rudar.ruc.dk/bitstream/1800/3961/1/The%20Birth%20of%20Modern%20Chemistry.pdf  http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/bohr.html  http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1935/chadwick-­‐bio.html  http://www.nndb.com/people/728/000099431/  https://sites.google.com/site/chadwickexperiment/home  http://wekasyah88.blogspot.com/2012/06/normal-­‐0-­‐false-­‐false-­‐false-­‐in-­‐x-­‐none-­‐ar.html  http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/history/schrodinger.html  http://www.abcte.org/files/previews/chemistry/s1_p6.html