Atomska teorija prešla je dug put u posljednjih nekoliko tisuća godina. Počevši u 5. stoljeću prije Krista s Democritusovom teorijom o nedjeljivim "tijelima", koji mehanički djeluju jedni s drugima, zatim se prelaze na Daltonov atomski model u 18. stoljeću, a zatim sazrijevaju u 20. stoljeću otkrićem subatomskih čestica i kvantne teorije, put otkrića bio je dug i krivudav.
Vjerojatno, jedna od najvažnijih prekretnica na ovom putu bio je Bohrov atomski model, koji se ponekad naziva i Rutherford-Bohrov atomski model. Predložen od strane danskog fizičara Nielsa Bohra 1913. godine, ovaj model prikazuje atom kao malo pozitivno nabijeno jezgro okruženo elektronom koji putuje u kružnim orbitama (definirano njihovim energetskim razinama) oko središta.
Atomska teorija 19. stoljeća:
Najraniji poznati primjeri atomske teorije potječu iz drevne Grčke i Indije, gdje su filozofi poput Demokrita postulirali da je sva materija sastavljena od sićušnih, nedjeljivih i neuništiva. Izraz "atom" skovan je u drevnoj Grčkoj i stvorio je školu misli koja je poznata i kao "atomizam". Međutim, ova je teorija bila više filozofski koncept nego znanstveni.
Tek u 19. stoljeću teorija atoma postala je artikulirana kao znanstvena materija, provedeni su prvi eksperimentalni eksperimenti. Na primjer, u ranim 1800-ima, engleski znanstvenik John Dalton koristio je koncept atoma kako bi objasnio zašto su kemijski elementi reagirali na određene vidljive i predvidljive načine. Kroz niz eksperimenata s plinovima, Dalton je razvio ono što je poznato kao Daltonova atomska teorija.
Ta se teorija proširila na zakonima razgovora o masi i određenim omjerima i svela se na pet premisa: elementi se, u svom najčišćem stanju, sastoje od čestica zvanih atomi; atomi određenog elementa su svi isti, sve do posljednjeg atoma; atomi različitih elemenata mogu se razlikovati po atomskoj masi; atomi elemenata ujedinjuju se u kemijske spojeve; atomi se ne mogu stvoriti ili uništiti kemijskom reakcijom, samo se grupiranje uvijek mijenja.
Otkrivanje elektrona:
Krajem 19. stoljeća, znanstvenici su također počeli teoretizirati da se atom sastoji od više temeljnih jedinica. Međutim, većina se znanstvenika usudila da ova jedinica bude veličine najmanjeg poznatog atoma - vodika. Do kraja 19. stoljeća to bi se drastično promijenilo zahvaljujući istraživanjima znanstvenika poput Sir Josepha Johna Thomsona.
Kroz niz eksperimenata pomoću katodnih cijevi (poznatih kao Crooksova cijev), Thomson je uočio da se katodne zrake mogu odbiti električnim i magnetskim poljem. Zaključio je da su, umjesto da se sastoje od svjetlosti, sastavljene od negativno nabijenih čestica koje su 1ooo manje i 1800 puta lakše od vodika.
To je učinkovito opovrglo ideju da je atom vodika najmanja jedinica materije, a Thompson je nastavio da sugerira da su atomi djeljivi. Kako bi objasnio ukupni naboj atoma, koji se sastojao od pozitivnih i negativnih naboja, Thompson je predložio model kojim su negativno nabijeni „trupci“ raspoređeni u jednoličnom moru pozitivnog naboja - poznatom kao model pudinga od šljive.
Ti bi se truplaci kasnije imenovali "elektroni", na temelju teorijske čestice koju je 1874. predvidio anglo-irski fizičar George Johnstone Stoney. torta od šljiva i grožđice. Koncept je predstavljen svijetu u izdanju Velike Britanije u ožujku 1904 Filozofski magazin, široko odobravati.
Rutherford Model:
Naknadni eksperimenti otkrili su niz znanstvenih problema s modelom pudinga od šljive. Za početak je postojao problem dokazivanja da atom posjeduje jednolik pozitivan pozadinski naboj, koji je postao poznat pod nazivom "Thomson problem". Pet godina kasnije, model bi opovrgli Hans Geiger i Ernest Marsden, koji su proveli niz eksperimenata koristeći alfa čestice i zlatnu foliju - aka. "eksperiment sa zlatnom folijom."
U ovom su eksperimentu Geiger i Marsden izmjerili uzorak raspršivanja alfa čestica fluorescentnim ekranom. Da je Thomson-ov model točan, alfa čestice bi nesmetano prolazile kroz atomsku strukturu folije. Međutim, napomenuli su da su, dok je većina pucala ravno, neki od njih bili razbacani u raznim smjerovima, a neki se vraćaju u smjeru izvora.
Geiger i Marsden zaključili su da su čestice naišle na elektrostatičku silu daleko veću od one koju dopušta Thomson-ov model. Budući da su alfa čestice samo helijeve jezgre (koje su pozitivno nabijene), to je podrazumijevalo da se pozitivni naboj u atomu nije raširio već koncentrirao u malom volumenu. Uz to, činjenica da su one čestice koje nisu bile odbijene prolazile neometanim značilo je da su ti pozitivni prostori razdvojeni ogromnim provalijama praznog prostora.
Do 1911. fizičar Ernest Rutherford tumačio je Geiger-Marsdenove eksperimente i odbacio Thomson-ov model atoma. Umjesto toga, predložio je model u kojem se atom sastojao od uglavnom praznog prostora, sa svim svojim pozitivnim nabojem koncentriranim u njegovom središtu u vrlo malom volumenu, koji je bio okružen oblakom elektrona. To je postalo poznato kao Rutherfordov model atoma.
Bohrov model:
Naknadni eksperimenti Antonija Van den Broeka i Nielsa Bohra još su poboljšali model. Dok je Van den Broek sugerirao da je atomski broj elementa vrlo sličan njegovom nuklearnom naboju, potonji je predložio model atoma iz Sunčevog sustava, gdje jezgra sadrži atomski broj pozitivnog naboja i okružen je jednakom broj elektrona u orbitalnim školjkama (aka. Bohrov model).
Pored toga, Bohrov je model rafinirao određene elemente Rutherfordovog modela koji su bili problematični. Oni uključuju probleme koji proizlaze iz klasične mehanike, koja je predviđala da će elektroni ispuštati elektromagnetsko zračenje dok orbitiraju oko jezgre. Zbog gubitka energije, elektron bi se trebao brzo usmjeriti prema unutra i srušiti u jezgru. Ukratko, ovaj atomski model podrazumijevao je da su svi atomi nestabilni.
Model je također predvidio da će se, kako elektroni spiraliraju prema unutra, njihova emisija brzo povećavati u frekvenciji kako bi se orbita smanjivala i ubrzavala. Međutim, eksperimenti s električnim pražnjenjem u kasnom 19. stoljeću pokazali su da atomi samo emitiraju elektromagnetsku energiju na određenim diskretnim frekvencijama.
Bohr je to riješio predlažući da elektroni kruže oko jezgre na načine koji su u skladu s Planckovom kvantnom teorijom zračenja. U ovom modelu elektroni mogu zauzeti samo određene dozvoljene orbitale sa specifičnom energijom. Nadalje, energiju mogu dobiti i izgubiti samo skakanjem s jedne dozvoljene orbite u drugu, apsorbiranjem ili emitiranjem elektromagnetskog zračenja u tom procesu.
Te su orbite bile povezane s određenim energijama koje je on nazvao energetske ljuske ili energetske razine, Drugim riječima, energija elektrona unutar atoma nije kontinuirana, već je “kvantizirana”. Te su razine označene kvantnim brojem n (n = 1, 2, 3, itd.) za koje je tvrdio da se može odrediti Rybergovom formulom - pravilom koje je 1888. formulirao švedski fizičar Johannes Ryberg za opis valnih duljina spektralnih linija mnogih kemijskih elemenata.
Utjecaj Bohrovog modela:
Iako se Bohrov model u nekim aspektima pokazao revolucionarnim - spajajući Rybergovu konstantu i Planckovu konstantu (aka. Kvantna teorija) s Rutherfordovim modelom - trpio je neke nedostatke što će kasnije eksperimenti ilustrirati. Za početak, pretpostavljalo se da elektroni imaju i poznati polumjer i orbitu, što bi Werner Heisenberg osporavao desetljeće kasnije svojim Načelom nesigurnosti.
Pored toga, iako je bio koristan za predviđanje ponašanja elektrona u vodikovim atomima, Bohrov model nije bio posebno koristan u predviđanju spektra većih atoma. U tim slučajevima, gdje atomi imaju više elektrona, razina energije nije bila u skladu s onim što je Bohr predvidio. Model također nije radio s neutralnim atomima helija.
Bohrov model također nije mogao objasniti Zeeman-ov efekt, fenomen koji su primijetili nizozemski fizičari Pieter Zeeman 1902. godine, gdje su spektralne linije podijeljene na dvije ili više u prisutnosti vanjskog, statičkog magnetskog polja. Zbog toga je s Bohrovim atomskim modelom pokušalo nekoliko preciziranja, ali i to se pokazalo problematičnim.
Naposljetku, to bi dovelo do toga da Borov model zamjenjuje kvantna teorija - u skladu s radom Heisenberga i Erwina Schrodingera. Ipak, Bohrov model ostaje koristan kao instruktivno sredstvo za uvođenje studenata u modernije teorije - poput kvantne mehanike i atomskog modela valentne ljuske.
To bi se također pokazalo glavnom prekretnicom u razvoju Standardnog modela fizike čestica, modela kojeg karakteriziraju „elektronski oblaci“, elementarne čestice i nesigurnost.
Ovdje smo pisali mnoge zanimljive članke o atomskoj teoriji u časopisu Space Magazine. Evo modela Atoma Johna Daltona, što je model pudinga od šljive, što je model elektronskog oblaka? Tko je bio Demokrit i koji su dijelovi atoma?
Astronomy Cast također ima neke epizode na temu: Epizoda 138: Kvantna mehanika, Epizoda 139: Energetske razine i spektri, Epizoda 378: Rutherford i Atomi i Epizoda 392: Standardni model - Intro.
izvori:
- Niels Bohr (1913.) „Ustava atoma i molekula, I. dio“
- Niels Bohr (1913.) "O ustavu atoma i molekula, II dio sustava koji sadrže samo jedan nukleus"
- Encyclopaedia Britannica: Borh atomski model
- Hiperfizika - Bohrov model
- Sveučilište u Tennesseeju, Knoxville - The Borh Model
- Sveučilište u Torontu - Bohr model atoma
- NASA - Zamislite svemir - pozadina: Atomi i svjetlosna energija
- O obrazovanju - Bohr Model Atoma
