Zgodnje 20. stoletje je bilo za nauke zelo ugoden čas. Poleg Ernesta Rutherforda in Nielsa Bohra, ki sta rodila standardni model fizike delcev, je bilo to tudi obdobje prebojev na področju kvantne mehanike. Zahvaljujoč nenehnim raziskavam vedenja elektronov so znanstveniki začeli predlagati teorije, po katerih so se ti osnovni delci obnašali na način, ki je kljuboval klasični, newtonski fiziki.
En tak primer je model elektronskega oblaka, ki ga je predlagal Erwin Schrodinger. Zahvaljujoč temu modelu elektroni niso bili več upodobljeni kot delci, ki se gibljejo okoli osrednjega jedra v fiksni orbiti. Namesto tega je Schrodinger predlagal model, po katerem bi znanstveniki lahko samo ugibali o položajih elektronov. Njihove lokacije bi torej lahko opisali le kot del "oblaka" okoli jedra, kjer bodo verjetno našli elektrone.
Atomska fizika v 20. stoletju:
Najstarejši znani primeri atomske teorije prihajajo iz antične Grčije in Indije, kjer so filozofi, kot je Demokrit, postulirali, da je vsa materija sestavljena iz drobnih, nedeljivih in neuničljivih enot. Izraz "atom" je bil skovan v stari Grčiji in je sprožil šolo misli, imenovano "atomizem". Vendar je bila ta teorija bolj filozofski koncept kot znanstveni.
Šele v 19. stoletju se je teorija atomov artikulirala kot znanstvena zadeva, pri čemer so bili izvedeni prvi poskusi, ki temeljijo na dokazih. Na primer, v začetku 1800-ih je angleški znanstvenik John Dalton uporabil koncept atoma, da je razložil, zakaj kemični elementi reagirajo na določene opazne in predvidljive načine. Skozi vrsto eksperimentov s plini je Dalton razvil tisto, kar je znano kot Daltonova atomska teorija.
Ta teorija se je razširila na zakone pogovorov o masi in določenih razmerjih in se spustila na pet premis: elemente v najčistejšem stanju sestavljajo delci, imenovani atomi; atomi določenega elementa so vsi enaki, vse do zadnjega atoma; atome različnih elementov lahko ločimo po atomskih težah; atomi elementov se združujejo in tvorijo kemične spojine; atomov v kemični reakciji ni mogoče ustvariti ali uničiti, spreminja se le skupina.
Odkritje elektrona:
S poznim 19. stoletjem so tudi znanstveniki začeli teoretizirati, da je atom sestavljen iz več kot ene temeljne enote. Vendar se je večina znanstvenikov odzvala, da bo ta enota velikosti najmanjšega znanega atoma - vodika. Do konca 19. stoletja bi se njegovo delo drastično spremenilo, zahvaljujoč raziskavam, ki so jih opravili znanstveniki, kot je sir Joseph John Thomson.
Thomson je skozi vrsto eksperimentov s katodnimi cevmi (znan kot Crooksova cev) opazil, da se katodni žarki lahko odbijejo z električnim in magnetnim poljem. Zaključil je, da so namesto iz svetlobe sestavljeni iz negativno nabitih delcev, ki so bili 1ooo manjši in 1800-krat lažji od vodika.
To je dejansko ovrglo predstavo, da je atom vodika najmanjša enota materije, in Thompson je nadaljeval, da je domneval, da so atomi deljivi. Da bi razložil celoten naboj atoma, ki je bil sestavljen iz pozitivnih in negativnih nabojev, je Thompson predlagal model, s katerim so negativno nabiti »trupla« razdelili v enotno morje pozitivnega naboja - znano kot Plum Pudding Model.
Te teleske bodo pozneje poimenovali "elektroni", ki temeljijo na teoretičnih delcih, ki jih je leta 1874 napovedal anglo-irski fizik George Johnstone Stoney. In iz tega se je rodil model Plum Pudding, imenovan tako, da je bil podoben angleški puščavi, ki jo sestavljajo slivova torta in rozine. Koncept je bil predstavljen v svetu marca 1904 v Veliki Britaniji Filozofski časopis, na široko odobravati.
Razvoj standardnega modela:
Poznejši poskusi so odkrili številne znanstvene težave z modelom Plum Pudding. Za začetek je bila težava dokazati, da ima atom enakomeren pozitiven naboj, ki je postal znan kot "Thomson problem". Pet let pozneje bi modela ovrgla Hans Geiger in Ernest Marsden, ki sta izvedla vrsto poskusov z uporabo alfa delcev in zlate folije. "poskus z zlato folijo."
V tem poskusu sta Geiger in Marsden s fluorescenčnim zaslonom merila vzorec raztresenja alfa delcev. Če bi bil Thomson-ov model pravilen, bi alfa delci nemoteno prehajali skozi atomsko strukturo folije. Vendar so namesto tega zapisali, da se je večina streljala naravnost, nekatere pa so bile raztresene v različnih smereh, nekatere pa nazaj v smeri vira.
Geiger in Marsden sta ugotovila, da so delci naleteli na elektrostatično silo, veliko večjo od tiste, ki jo dovoljuje Thomson-ov model. Ker so delci alfa le helijeva jedra (ki so pozitivno nabiti), je to pomenilo, da pozitivni naboj v atomu ni bil široko razpršen, ampak koncentriran v majhnem volumnu. Poleg tega je dejstvo, da so tisti delci, ki niso bili odklonjeni, šli skozi neovirano, pomenilo, da so ti pozitivni prostori ločeni z velikimi zalivi praznega prostora.
Do leta 1911 je fizik Ernest Rutherford razlagal eksperimente Geiger-Marsden in zavrnil Thomson-ov model atoma. Namesto tega je predlagal model, kjer je atom sestavljen iz večinoma praznega prostora, ves pozitiven naboj pa je skoncentriran v njegovem središču v zelo drobnem volumnu, ki ga je obdajal oblak elektronov. To je bilo znano kot Rutherford Model atoma.
Poznejši poskusi Antonija Van den Broeka in Nielsa Bohra so model še izboljšali. Medtem ko je Van den Broek predlagal, da je atomsko število elementa zelo podobno jedrskemu naboju, je slednji predlagal model atoma, ki je podoben sončnemu sistemu, kjer jedro vsebuje atomsko število pozitivnega naboja in je obdano z enakim število elektronov v orbitalnih lupinah (aka Borov model).
Model elektronskega oblaka:
V dvajsetih letih prejšnjega stoletja je avstrijski fizik Erwin Schrodinger očaral s teorijami Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld in drugi fiziki. V tem času se je vključil tudi na področja atomske teorije in spektrov, raziskoval je na univerzi v Zürichu in nato univerzi Friedricha Wilhelma v Berlinu (kjer je leta 1927 nasledil Plancka).
Leta 1926 se je Schrödinger v vrsti prispevkov lotil vprašanja valovnih funkcij in elektronov. Poleg tega, da je opisal tisto, kar bi postalo znano kot Schrodingerjeva enačba - delna diferencialna enačba, ki opisuje, kako se kvantno stanje kvantnega sistema s časom spreminja - je uporabil tudi matematične enačbe, da je opisal verjetnost iskanja elektrona v določenem položaju .
To je postalo osnova za tako imenovani model elektronskega oblaka (ali kvantno mehanike) in Schrodingerjeve enačbe. Na podlagi kvantne teorije, ki navaja, da ima vsa materija lastnosti, povezane z valovno funkcijo, se model elektronskega oblaka od Bohrovega modela razlikuje po tem, da ne določa natančne poti elektrona.
Namesto tega napoveduje verjetni položaj lokacije elektrona na podlagi funkcije verjetnosti. Funkcija verjetnosti v bistvu opisuje oblak podobno območje, kjer je verjetno najti elektron, od tod tudi ime. Tam, kjer je oblak najbolj gost, je verjetnost, da bomo našli elektron, največja; in kjer je elektron manj verjetno, je oblak manj gost.
Ta gosta območja so znana kot "elektrone orbitale", saj so najverjetnejša lokacija, kjer bomo našli orbitirani elektron. Če ta model "oblaka" razširimo na tridimenzionalni prostor, vidimo atom mrene ali cvetja (kot na sliki na vrhu). Tu so področja, ki se razvejajo, tista, kjer najverjetneje najdemo elektrone.
Zahvaljujoč Schrodingerjevemu delu so znanstveniki začeli razumeti, da v kraljestveni mehaniki ni mogoče natančno vedeti natančnega položaja in zaleta elektrona. Ne glede na to, kaj opazovalec na začetku ve o delcu, lahko le napoveduje njegovo naslednjo lokacijo ali zagon.
V nobenem trenutku ne bodo mogli ugotoviti katerega koli od njih. Pravzaprav več ko vedo o zagonu delca, manj bodo vedeli o njegovi lokaciji in obratno. To je danes znano kot "načelo negotovosti".
Upoštevajte, da orbitale iz prejšnjega odstavka tvori atom vodika (to je samo z enim elektronom). Ko imamo opravka z atomi, ki imajo več elektronov, se orbitalna področja elektronov enakomerno razširijo v sferično mehko kroglico. Tu je najprimernejši izraz elektronski oblak.
Ta prispevek je bil splošno priznan kot eden od stroškovno pomembnih prispevkov 20. stoletja in tisti, ki je sprožil revolucijo na področju fizike, kvantne mehanike in res vseh znanosti. Odtlej znanstveniki niso več delali v vesolju, ki ga zaznamujejo absoluti časa in prostora, temveč kvantne negotovosti in časovno-vesoljska relativnost!
Tu smo napisali veliko zanimivih člankov o atomih in atomskih modelih pri reviji Space. Tu so naslednji: Atomski model Johna Daltona ?, Kaj je model pudinga iz slive ?, Kaj je Bohrov atomski model? Kdo je bil Demokrit in kateri so deli atoma?
Če želite več informacij, preverite, kaj je kvantna mehanika? iz Live Science.
Astronomy Cast ima tudi epizodo na to temo, na primer Epizoda 130: Radio Astronomy, Epizoda 138: Kvantna mehanika in Epizoda 252: Heisenberško načelo negotovosti
