Atominė teorija nuėjo ilgą kelią per pastaruosius kelis tūkstančius metų. Pradedant V a. Pr. Kr. Su Demrito teorija apie nedalomus „branduolius“, kurie sąveikauja tarpusavyje, tada pereina prie Daltono atominio modelio XVIII amžiuje, o vėliau brandina XX amžiuje atradus subatomines daleles ir kvantų teoriją, atradimo kelionė buvo ilga ir vingiuota.
Be abejo, vienas iš svarbiausių etapų buvo Bohro atominis modelis, kuris kartais vadinamas Rutherfordo-Bohro atominiu modeliu. Šis modelis, kurį 1913 m. Pasiūlė danų fizikas Nielsas Bohras, vaizduoja atomą kaip mažą, teigiamai įkrautą branduolį, apsuptą elektronų, kurie aplink centrą juda žiedinėmis orbitomis (apibrėžtomis jų energijos lygiais).
Atominė teorija iki XIX a.
Ankstyviausi žinomi atominės teorijos pavyzdžiai yra kilę iš senovės Graikijos ir Indijos, kur tokie filosofai kaip Demokratas postuliavo, kad visa materija yra sudaryta iš mažų, nedalomų ir nesunaikinamų vienetų. Terminas „atomas“ buvo sugalvotas senovės Graikijoje ir paskatino minties mokyklą, vadinamą „atomizmu“. Tačiau ši teorija buvo labiau filosofinė, o ne mokslinė.
Atomų teorija buvo suformuluota kaip mokslinis dalykas tik XIX amžiuje, kai buvo atlikti pirmieji įrodymais pagrįsti eksperimentai. Pavyzdžiui, aštuntojo dešimtmečio pradžioje anglų mokslininkas Johnas Daltonas panaudojo atomo sąvoką, kad paaiškintų, kodėl cheminiai elementai reagavo tam tikrais pastebimais ir nuspėjamais būdais. Atlikdamas eksperimentus su dujomis, Daltonas sukūrė vadinamąją Daltono atominės teorijos teoriją.
Ši teorija išplėtė masės ir apibrėžtų proporcijų pokalbio dėsnius ir atėjo į penkias prielaidas: gryniausioje būsenoje esantys elementai susideda iš dalelių, vadinamų atomais; konkretaus elemento atomai yra vienodi iki pat paskutinio atomo; skirtingų elementų atomus galima atskirti pagal jų atominius svorius; elementų atomai susijungia ir sudaro cheminius junginius; atomai negali būti nei sukurti, nei sunaikinti cheminės reakcijos metu, tik keičiasi grupė.
Elektrono atradimas:
XIX amžiaus pabaigoje mokslininkai taip pat pradėjo teoretikuoti, kad atomas sudarytas iš daugiau nei vieno pagrindinio vieneto. Tačiau dauguma mokslininkų išdrįso, kad šis vienetas bus mažiausio žinomo atomo - vandenilio - dydžio. XIX amžiaus pabaigoje tai pasikeis drastiškai, dėka tokių mokslininkų, kaip seras Josephas Johnas Thomsonas, atliktų tyrimų.
Atlikdamas daugybę eksperimentų, naudojant katodinių spindulių vamzdelius (žinomus kaip „Crookes“ vamzdis), Thomsonas pastebėjo, kad katodo spindulius galima nukreipti elektriniu ir magnetiniu laukais. Jis padarė išvadą, kad užuot sudarytos iš šviesos, jos buvo sudarytos iš neigiamai įkrautų dalelių, kurios buvo 1 tūkstantį kartų mažesnės ir 1800 kartų lengvesnės už vandenilį.
Tai iš tikrųjų paneigė nuostatą, kad vandenilio atomas yra mažiausias materijos vienetas, ir Thompsonas nuėjo toliau, norėdamas pasakyti, kad atomai yra dalijami. Norėdami paaiškinti bendrą atomo krūvį, kurį sudarė tiek teigiami, tiek neigiami krūviai, Thompsonas pasiūlė modelį, pagal kurį neigiamai įkrauti „kūneliai“ buvo paskirstyti vienodame teigiamo krūvio jūroje - žinomu kaip slyvų pudingo modelis.
Šie korpusai vėliau bus pavadinti „elektronais“, remiantis teorine dalele, kurią 1874 m. Numatė anglo-airių fizikas George'as Johnstone'as Stoney. Ir iš to gimė slyvų pudingo modelis, taip pavadintas todėl, kad jis labai panašus į Anglijos dykumą, kurią sudaro slyvų pyragas ir razinos. Ši sąvoka pasauliui buvo pristatyta 1904 m. Kovo mėn. JK leidime Filosofinis žurnalas, plačiai pripažinti.
Rutherfordo modelis:
Vėlesni eksperimentai atskleidė nemažai mokslinių problemų, susijusių su slyvų pudingo modeliu. Pradedantiesiems kilo problema įrodyti, kad atomas turėjo vienodą teigiamą foninį krūvį, kuris buvo žinomas kaip „Thomsono problema“. Po penkerių metų modelį paneigs Hansas Geigeris ir Ernestas Marsdenas, kurie atliko eksperimentų seriją, naudodami alfa daleles ir aukso foliją - dar žinomą. „auksinės folijos eksperimentas“.
Šiame eksperimente Geigeris ir Marsdenas išmatuojo alfa dalelių išsklaidymo modelį fluorescenciniu ekranu. Jei Thomsono modelis būtų teisingas, alfa dalelės netrukdomai praeitų per folijos atominę struktūrą. Tačiau jie vietoj to pažymėjo, kad nors dauguma šaudė tiesiai pro šalį, kai kurie iš jų buvo išsibarstę įvairiomis kryptimis, o kai kurie grįžo šaltinio kryptimi.
Geigeris ir Marsdenas padarė išvadą, kad dalelės buvo susidūrusios su daug didesne elektrostatiniu jėga, nei leidžia Thomsono modelis. Kadangi alfa dalelės yra tik helio branduoliai (kurie yra teigiamai įkrauti), tai reiškė, kad teigiamas krūvis atome nebuvo plačiai išsisklaidęs, o susikaupė mažame tūryje. Be to, tai, kad tos dalelės, kurios nebuvo deformuotos, praėjo pro kliūtis, reiškė, kad šias teigiamas erdves atskyrė didžiulės tuščios erdvės įdubos.
Iki 1911 m. Fizikas Ernestas Rutherfordas išaiškino Geigerio-Marsdeno eksperimentus ir atmetė Thomsono atomo modelį. Vietoj to, jis pasiūlė modelį, kuriame atomą sudarė daugiausia tuščia erdvė, o visas jo teigiamas krūvis buvo sukoncentruotas jo centre labai mažame tūryje, kurį supa elektronų debesis. Tai buvo žinoma kaip Rutherfordo atomo modelis.
Bohro modelis:
Vėlesni Antoniaus Van den Broeko ir Nielso Bohro eksperimentai patobulino modelį. Nors Van den Broekas teigė, kad elemento atominis skaičius yra labai panašus į jo branduolinį krūvį, pastarasis pasiūlė į saulės sistemą panašų atomo modelį, kur branduolyje yra teigiamo krūvio atominis skaičius ir jį supa lygus elektronų skaičius orbitos apvalkaluose (dar žinomas kaip Bohro modelis).
Be to, Bohro modelis patobulino tam tikrus Rutherfordo modelio elementus, kurie buvo problemiški. Tai apėmė problemas, kylančias dėl klasikinės mechanikos, kuri numatė, kad elektronai skleis elektromagnetinę spinduliuotę, apžiūrėdami branduolį. Dėl energijos praradimo elektronas turėjo greitai suktis į vidų ir sugriūti į branduolį. Trumpai tariant, šis atominis modelis suponavo, kad visi atomai buvo nestabilūs.
Modelis taip pat numatė, kad elektronams besisukant į vidų, jų skleidžiamas dažnis greitai didės, nes orbita taps mažesnė ir greitesnė. Tačiau XIX amžiaus pabaigoje atlikti eksperimentai su elektros iškrova parodė, kad atomai elektromagnetinę energiją skleidžia tik tam tikrais atskirais dažniais.
Bohas tai išsprendė siūlydamas, kad elektronai, skriejantys aplink branduolį, atitiktų Planko kvantinę radiacijos teoriją. Šiame modelyje elektronai gali užimti tik tam tikras leistinas orbitas, turinčias tam tikrą energiją. Be to, jie gali įgyti ir prarasti energiją tik peršokdami iš vienos leidžiamos orbitos į kitą, proceso metu sugerdami ar skleidžiant elektromagnetinę spinduliuotę.
Šios orbitos buvo susijusios su apibrėžtomis energijomis, kurias jis vadino energijos kriauklės arba energijos lygiai. Kitaip tariant, elektrono energija atomo viduje nėra tęstinė, o „kvantuojama“. Taigi šie lygiai žymimi kvantiniu skaičiumi n (n = 1, 2, 3 ir kt.), kurį, jo teigimu, buvo galima nustatyti naudojant Rybergo formulę - taisyklę, kurią 1888 m. suformulavo švedų fizikas Johanesas Rybergas, apibūdindamas daugelio cheminių elementų spektrinių linijų bangos ilgį.
Bohro modelio įtaka:
Nors Bohro modelis kai kuriais aspektais pasirodė esąs novatoriškas - sujungus Rybergo konstantą ir Plancko konstantą (dar vadinamą kvantų teorija) su Rutherfordo modeliu - jis patyrė keletą trūkumų, kuriuos vėliau paaiškins eksperimentai. Pradedantiesiems daroma prielaida, kad elektronai turi ir žinomą spindulį, ir orbitą - tai Werneris Heisenbergas paneigs po dešimtmečio savo neapibrėžtumo principu.
Be to, nors jis buvo naudingas numatant elektronų elgseną vandenilio atomais, Bohro modelis nebuvo ypač naudingas numatant didesnių atomų spektrus. Šiais atvejais, kai atomai turi kelis elektronus, energijos lygiai neatitiko to, ką prognozavo Boras. Modelis taip pat neveikė su neutraliais helio atomais.
Bohro modelis taip pat negalėjo atsižvelgti į Zeemano efektą - reiškinį, kurį 1902 m. Pažymėjo olandų fizikai Pieteris Zeemanas, kai spektrinės linijos padalijamos į dvi ar daugiau, esant išoriniam statiniam magnetiniam laukui. Dėl šios priežasties buvo bandoma keletą patobulinimų naudojant Bohro atominį modelį, tačiau ir šie pasirodė problemiški.
Galų gale tai leistų Bohro modelį pakeisti kvantų teorija - tai atitiktų Heisenbergo ir Erwino Schrodingerio darbus. Nepaisant to, Bohro modelis išlieka naudingas kaip mokymo priemonė supažindinant studentus su modernesnėmis teorijomis, tokiomis kaip kvantinė mechanika ir valentinio apvalkalo atominis modelis.
Tai taip pat pasirodys esminis etapas kuriant standartinį dalelių fizikos modelį, modelį, kuriam būdingi „elektronų debesys“, elementarios dalelės ir neapibrėžtumas.
Čia „Space Magazine“ esame parašę daug įdomių straipsnių apie atomų teoriją. Štai Johno Daltono atominis modelis, kas yra slyvų pudingo modelis, kas yra elektronų debesies modelis? Kas buvo demokratiškas? Kas yra atomo dalys?
Astronomijos aktoriai taip pat turi keletą epizodų šia tema: 138 epizodas: kvantų mechanika, 139 epizodas: energijos lygiai ir spektras, 378 epizodas: Rutherfordas ir atomai bei epizodas 392: standartinis modelis - įvadas.
Šaltiniai:
- Niels Bohr (1913) „Dėl atomų ir molekulių konstitucijos, I dalis“
- Nielsas Bohras (1913 m.) „Dėl atomų ir molekulių sudarymo, II dalies sistemos, turinčios tik vieną branduolį“
- Enciklopedija „Britannica“: Borho atominis modelis
- Hiperfizika - Bohro modelis
- Tenesio universitetas, Noksvilis - Borho modelis
- Toronto universitetas - Bohro atomo modelis
- NASA - įsivaizduok Visatą. Įvadas: Atomai ir šviesos energija
- Apie švietimą - Bohro atomo modelis
