I lang tid var strukturen til atomet et diskutabelt tema blant fysikere, helt til en modell laget av den danske forskeren Niels Bohr dukket opp. Han var ikke den første som prøvde å beskrive bevegelsen til subatomære partikler, men det var utviklingen hans som gjorde det mulig å lage en konsistent teori med evnen til å forutsi plasseringen av en elementarpartikkel på et eller annet tidspunkt.
Livssti
Niels Bohr ble født 7. oktober 1885 i København og døde der 18. november 1962. Han regnes som en av de største fysikerne, og ikke så rart: det var han som klarte å bygge en konsistent modell av hydrogenlignende atomer. I følge legenden så han i en drøm hvordan noe sånt som planeter dreide seg rundt et visst lysende sjeldne senter. Dette systemet krympet deretter drastisk til mikroskopisk størrelse.
Siden den gang har Bohr lett etter en måte å oversette drømmen til formler og tabeller. Ved å studere den moderne litteraturen om fysikk nøye, eksperimentere i laboratoriet og tenke, var han i stand til å oppnå sinmål. Selv medfødt sjenanse hindret ham ikke i å publisere resultatene: han var flau over å snakke foran et stort publikum, han begynte å bli forvirret, og publikum forsto ingenting av forskerens forklaringer.
Forløpere
Før Bohr prøvde forskere å lage en modell av atomet basert på postulatene til klassisk fysikk. Det mest vellykkede forsøket tilhørte Ernest Rutherford. Som et resultat av en rekke eksperimenter kom han til konklusjonen om eksistensen av en massiv atomkjerne, rundt hvilken elektroner beveger seg i baner. Siden en slik modell grafisk var lik strukturen til solsystemet, ble navnet på den planetariske forsterket bak den.
Men det hadde en betydelig ulempe: atomet som tilsvarer Rutherford-ligningene viste seg å være ustabilt. Før eller senere måtte elektronene, som beveget seg med akselerasjon i baner rundt kjernen, falle på kjernen, og energien deres ville bli brukt på elektromagnetisk stråling. For Bohr ble Rutherford-modellen utgangspunktet for å bygge sin egen teori.
Bohrs første postulat
Bohrs viktigste nyvinning var avvisningen av bruken av klassisk newtonsk fysikk i konstruksjonen av teorien om atomet. Etter å ha studert dataene innhentet i laboratoriet, kom han til den konklusjon at en så viktig lov for elektrodynamikk som jevn akselerert bevegelse uten bølgestråling ikke fungerer i elementærpartiklers verden.
Resultatet av hans refleksjoner var en lov som høres slik ut: et atomsystem er stabilt bare hvis det er i en av de mulige stasjonære(kvante) tilstander, som hver tilsvarer en viss energi. Betydningen av denne loven, ellers k alt postulatet om kvantetilstander, er å anerkjenne fraværet av elektromagnetisk stråling når et atom er i en slik tilstand. En konsekvens av det første postulatet er også erkjennelsen av tilstedeværelsen av energinivåer i atomet.
Frekvensregel
Det var imidlertid åpenbart at et atom ikke alltid kan være i samme kvantetilstand, siden stabilitet nekter enhver interaksjon, noe som betyr at det verken ville være universet eller bevegelse i det. Den tilsynelatende motsetningen ble løst av det andre postulatet til Bohrs atomstrukturmodell, kjent som frekvensregelen. Et atom er i stand til å bevege seg fra en kvantetilstand til en annen med en tilsvarende endring i energi, og sender ut eller absorberer et kvante, hvis energi er lik forskjellen mellom energiene til de stasjonære tilstandene.
Det andre postulatet motsier også klassisk elektrodynamikk. I følge Maxwells teori kan ikke naturen til bevegelsen til et elektron påvirke frekvensen til dets stråling.
Atomspektrum
Bohrs kvantemodell ble gjort mulig ved å studere atomets spektrum nøye. I lang tid var forskere flaue over at i stedet for det forventede kontinuerlige fargeområdet oppnådd ved å studere spektrene til himmellegemer, var atomets spektrogram diskontinuerlig. Linjer med lyse farger strømmet ikke inn i hverandre, men ble atskilt av imponerende mørke områder.
Teori om elektronovergang fra én kvantetilstand tilen annen forklarte denne rariteten. Når et elektron beveget seg fra et energinivå til et annet, hvor det krevdes mindre energi av det, sendte det ut et kvante, som ble reflektert i spektrogrammet. Bohrs teori demonstrerte umiddelbart evnen til å forutsi ytterligere endringer i spektrene til enkle atomer som hydrogen.
Flaws
Bohrs teori brøt ikke helt med klassisk fysikk. Hun beholdt fortsatt ideen om banebevegelsen til elektroner i det elektromagnetiske feltet til kjernen. Ideen om kvantisering under overgangen fra en stasjonær tilstand til en annen kompletterte den planetariske modellen, men løste likevel ikke alle motsetninger.
Selv om elektronet i lys av Bohrs modell ikke kunne gå inn i en spiralbevegelse og falle inn i kjernen og kontinuerlig utstråle energi, forble det uklart hvorfor det ikke suksessivt kunne stige til høyere energinivåer. I dette tilfellet ville alle elektroner før eller siden havne i den laveste energitilstanden, noe som ville føre til ødeleggelse av atomet. Et annet problem var anomalier i atomspektre som teorien ikke forklarte. Tilbake i 1896 gjennomførte Peter Zeeman et merkelig eksperiment. Han plasserte en atomgass i et magnetfelt og tok et spektrogram. Det viste seg at noen spektrallinjer delte seg i flere. En slik effekt ble ikke forklart i Bohrs teori.
Bygge en modell av hydrogenatomet ifølge Bohr
Til tross for alle manglene i teorien hans, klarte Niels Bohr å bygge en realistisk modell av hydrogenatomet. Ved å gjøre det brukte han frekvensregelen og lovene i klassiskmekanikk. Bohrs beregninger for å bestemme mulige radier av elektronbaner og beregne energien til kvantetilstander viste seg å være ganske nøyaktige og ble bekreftet eksperimentelt. Frekvensene for emisjon og absorpsjon av elektromagnetiske bølger tilsvarte plasseringen av mørke huller på spektrogrammene.
Dermed, ved å bruke eksemplet med hydrogenatomet, ble det bevist at hvert atom er et kvantesystem med diskrete energinivåer. I tillegg var forskeren i stand til å finne en måte å kombinere klassisk fysikk og postulatene hans ved å bruke korrespondanseprinsippet. Den sier at kvantemekanikk inkluderer lovene i newtonsk fysikk. Under visse forhold (for eksempel hvis kvantetallet var stort nok), konvergerer kvantemekanikk og klassisk mekanikk. Dette ble bevist av det faktum at med en økning i kvantetallet, ble lengden på mørke huller i spekteret redusert til fullstendig forsvinning, som forventet i lys av Newtonske konsepter.
Meaning
Innføringen av korrespondanseprinsippet har blitt et viktig mellomsteg mot erkjennelsen av eksistensen av spesiell kvantemekanikk. Bohrs modell av atomet har for mange blitt et utgangspunkt for å konstruere mer nøyaktige teorier om bevegelsen til subatomære partikler. Niels Bohr klarte ikke å finne en eksakt fysisk tolkning av kvantiseringsregelen, men han kunne heller ikke gjøre dette, siden bølgeegenskapene til elementærpartikler ble oppdaget bare over tid. Louis de Broglie, som supplerer Bohrs teori med nye funn, beviste at hver bane, iht.som elektronet beveger er en bølge som forplanter seg fra kjernen. Fra dette synspunktet begynte den stasjonære tilstanden til atomet å bli betraktet slik at det dannes i tilfellet når bølgen, etter å ha gjort en fullstendig revolusjon rundt kjernen, gjentar seg.