Atomska teorija je v zadnjih nekaj tisoč letih prišla daleč. Začetek v 5. stoletju pred našim štetjem z Democritusovo teorijo o neločljivih "teleskih", ki medsebojno mehansko delujejo, nato pa se v 18. stoletju pomeri na Daltonovem atomskem modelu in nato zore v 20. stoletju z odkritjem subatomskih delcev in kvantne teorije, pot odkrivanja je bila dolga in vijugava.
Zagotovo je eden najpomembnejših mejnikov na tej poti Bohrov atomski model, ki ga včasih imenujejo tudi atomski model Rutherford-Bohr. Ta model, ki ga je leta 1913 predlagal danski fizik Niels Bohr, prikazuje atom kot majhno, pozitivno napolnjeno jedro, ki ga obkrožajo elektroni, ki po krožnici potujejo po krožni orbiti (določeni z njihovimi energijskimi nivoji) okoli središča.
Atomska teorija 19. stoletja:
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.
Odkrivanje 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 to 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 predvidel anglo-irski fizik George Johnstone Stoney. slivova torta in rozine. Koncept je bil predstavljen v svetu marca 1904 v Veliki Britaniji Filozofski časopis, na široko odobravati.
Model Rutherford:
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.
Model Bohr:
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).
Poleg tega je Bohrov model izpopolnil nekatere elemente modela Rutherford, ki so bili problematični. Vključevali so težave, ki izhajajo iz klasične mehanike, ki je napovedovala, da bodo elektroni sproščali elektromagnetno sevanje med kroženjem v jedru. Zaradi izgube energije naj bi se elektron hitro spiral navznoter in sesedel v jedro. Skratka, ta atomski model je pomenil, da so vsi atomi nestabilni.
Model je tudi napovedoval, da se bo, ko se je orbita manjša in hitrejša, ko se elektroni spirali navznoter, njihova emisija hitro povečala. Toda poskusi z električnimi razelektritvami v poznem 19. stoletju so pokazali, da atomi oddajajo samo elektromagnetno energijo pri določenih diskretnih frekvencah.
Bohr je to razrešil tako, da je predlagal, da elektroni krožijo v jedru na načine, ki so skladni s Planckovo kvantno teorijo sevanja. V tem modelu lahko elektroni zasedejo le določene dovoljene orbite s točno določeno energijo. Poleg tega lahko energijo pridobijo in izgubijo le s skokom iz ene dovoljene orbite v drugo, absorbiranjem ali oddajanjem elektromagnetnega sevanja v procesu.
Te orbite so bile povezane z določenimi energijami, ki jih je imenoval energijske lupine ali ravni energije. Z drugimi besedami, energija elektrona v atomu ni neprekinjena, ampak je "kvantizirana". Te ravni so tako označene s kvantnim številom n (n = 1, 2, 3 itd.), za katerega je trdil, da ga je mogoče določiti s pomočjo Rybergove formule - pravila, ki ga je leta 1888 oblikoval švedski fizik Johannes Ryberg za opis valovnih dolžin spektralnih linij mnogih kemičnih elementov.
Vpliv borovega modela:
Čeprav se je Bohrov model v nekaterih pogledih prelomil - združevanje Rybergove konstante in Planckove konstante (aka. Kvantna teorija) z modelom Rutherforda - je trpel zaradi nekaterih pomanjkljivosti, ki bi jih poznejši poskusi ponazorili. Za začetek se je domnevalo, da imajo elektroni tako znan polmer kot orbito, kar bi Werner Heisenberg desetletje pozneje oporekal svojemu načelu negotovosti.
Poleg tega, čeprav je bil uporaben za napovedovanje obnašanja elektronov v vodikovih atomih, Bohrov model ni bil posebej uporaben pri napovedovanju spektrov večjih atomov. V teh primerih, kjer imajo atomi več elektronov, raven energije ni bila v skladu s tistim, kar je Bohr napovedoval. Model prav tako ni deloval z nevtralnimi atomi helija.
Bohrov model prav tako ni mogel upoštevati Zemanovega učinka, pojava, ki so ga leta 1902 opazili nizozemski fiziki Pieter Zeeman, kjer se spektralne črte razdelijo na dve ali več v prisotnosti zunanjega, statičnega magnetnega polja. Zaradi tega so z Bohrovim atomskim modelom poskušali več izboljšav, vendar so se tudi te izkazale za problematične.
Na koncu bi to povzročilo, da bo Borov model nadomestil kvantna teorija - skladno z delom Heisenberga in Erwina Schrodingerja. Kljub temu Bohrjev model ostaja uporaben kot poučno orodje za uvajanje študentov v sodobnejše teorije - na primer kvantno mehaniko in atomski model valenčne lupine.
To bi se tudi izkazalo za pomemben mejnik pri razvoju Standardnega modela fizike delcev, ki je značilen za "elektronske oblake", elementarne delce in negotovost.
Tu smo napisali veliko zanimivih člankov o atomski teoriji pri Space Magazinu. Tu je opis atomskega modela Johna Daltona, kaj je model pudinga iz slive, kaj je model elektronskega oblaka? Kdo je bil Demokrit in kakšni so deli atoma?
Astronomy Cast ima tudi nekaj epizod na temo: Epizoda 138: Kvantna mehanika, Epizoda 139: Ravni energije in spektri, Epizoda 378: Rutherford in Atomi in Epizoda 392: Standardni model - Intro.
Viri:
- Niels Bohr (1913) "Ustava atomov in molekul, I. del."
- Niels Bohr (1913) "Ustava atomov in molekul, II. Del Sistemi, ki vsebujejo samo eno jedro"
- Enciklopedija Britannica: Borh Atomic Model
- Hiperfizika - Bohrov model
- Univerza v Tennesseeju, Knoxville - The Borh Model
- Univerza v Torontu - Bohrov model Atoma
- NASA - Zamislite si vesolje - Ozadje: Atomi in svetlobna energija
- O izobraževanju - Bohr Model atoma
