A 20. század eleje nagyon kedvező idő volt a tudomány számára. Ernest Rutherford és Niels Bohr mellett, amely a részecskefizika szokásos modelljét hozta létre, áttörési időszak volt a kvantummechanika területén is. Az elektronok viselkedésével kapcsolatos folyamatos tanulmányoknak köszönhetően a tudósok elméleteket javasoltak, amelyek szerint ezek az elemi részecskék úgy viselkedtek, hogy megcáfolják a klasszikus, newtoni fizikát.
Ilyen példa az Erwin Schrodinger által javasolt elektron felhő modell. Ennek a modellnek köszönhetően az elektronokat már nem ábrázolják részecskékként, amelyek rögzített pályán egy központi mag körül mozognak. Ehelyett Schrodinger olyan modellt javasolt, amely szerint a tudósok csak képzett kitalálásokat tehetnek az elektronok helyzetéről. Ennélfogva helyüket csak úgy lehetett leírni, hogy a mag körül körüli „felhő” részét képezik, ahol az elektronok valószínűleg megtalálhatók.
Atomfizika a 20. századig:
Az atomelmélet legkorábbi ismert példái az ókori Görögországból és Indiából származnak, ahol a filozófusok, mint például a Democritus azt állította, hogy az anyag apró, oszthatatlan és elpusztíthatatlan egységekből áll. Az „atom” kifejezést az ókori Görögországban hozták létre, és az „atomizmus” néven működő gondolkodási iskolába vezetett. Ez az elmélet azonban inkább filozófiai, mint tudományos koncepció volt.
Az atomok elméletét csak a 19. században tudományos kérdésként fogalmazták meg, amikor elvégezték az első bizonyítékokon alapuló kísérleteket. Például az 1800-as évek elején John Dalton angol tudós az atom fogalmát magyarázta azzal, hogy a kémiai elemek miért reagálnak bizonyos megfigyelhető és kiszámítható módon. Gázokat érintő kísérletek sorozatán keresztül Dalton tovább dolgozta ki a Dalton atomteóriája néven ismertt.
Ez az elmélet kibővítette a tömeg és a meghatározott arányok megbeszélésének törvényeit, és öt feltevésre jutott: az elemek a legtisztább állapotban atomoknak nevezett részecskékből állnak; egy adott elem atomjai azonosak, a legelső atomig; a különféle elemek atomjai az atomtömegük alapján megkülönböztethetők; az elemek atomjai vegyi vegyületeket képeznek; az atomok nem hozhatók létre vagy sem pusztulhatnak el kémiai reakcióban, csak a csoportok változnak meg.
Az elektron felfedezése:
A 19. század végére a tudósok elkezdték elméletbe állítani, hogy az atom egynél több alapegységből áll. A legtöbb tudós azonban úgy vélte, hogy ez az egység a legkisebb ismert atom méretű - hidrogén. A 19. század végére drasztikusan megváltozik, olyan kutatóknak köszönhetően, mint Sir Joseph John Thomson.
Katódsugárcsövekkel (a Crookes Tube néven ismert) végzett kísérletek sorozatán keresztül Thomson megfigyelte, hogy a katód sugarai eltéríthetők elektromos és mágneses mezőkkel. Megállapította, hogy ahelyett, hogy a fényből állnának, negatív töltésű részecskékből álltak, amelyek ón-szor kisebbek és 1800-szor könnyek, mint a hidrogén.
Ez ténylegesen megcáfolta azt a feltevést, hogy a hidrogénatom az anyag legkisebb egysége, és Thompson tovább megy arra, hogy az atomok megoszthatók legyenek. Az atom teljes töltésének magyarázata érdekében, amely mind pozitív, mind negatív töltésekből állt, Thompson javaslatot tett egy modellre, amely szerint a negatív töltésű „testek” egy pozitív töltés egységes tengerében kerülnek eloszlásra - Plum Pudding Model néven.
Ezeket a sejteket később „elektronoknak” neveznék, az angol-ír fizikus, George Johnstone Stoney által 1874-ben előrejelzett elméleti részecske alapján. És ebből született a Szilva pudingmodell, az úgynevezett neve, mert szorosan hasonlít az angol sivataghoz, amely szilva torta és mazsola. A koncepciót az Egyesült Királyság 1904. márciusi kiadásában mutatták be a világnak Filozófiai Magazin, széles körben elismerni.
A standard modell fejlesztése:
A későbbi kísérletek számos tudományos problémát tártak fel a szilva puding modelljével. A kezdőknek felmerült a probléma annak bizonyítása, hogy az atom egységes pozitív háttér-töltéssel rendelkezik, amelyet „Thomson probléma” néven ismertek. Öt évvel később a modellt megcáfolják Hans Geiger és Ernest Marsden, akik egy sor kísérletet végeztek alfa-részecskék és arany fólia felhasználásával. az „arany fólia kísérlet”.
Ebben a kísérletben Geiger és Marsden fluoreszkáló szitával meghatározták az alfa-részecskék szórási mintázatát. Ha a Thomson modellje helyes lenne, az alfa-részecskék akadálytalanul áthatolnának a fólia atomszerkezetén. Ehelyett azonban megjegyezték, hogy míg a legtöbbjük egyenesen átlőtt, néhányuk különböző irányokba szóródott, míg mások visszamentek a forrás irányába.
Geiger és Marsden arra a következtetésre jutottak, hogy a részecskék sokkal nagyobb elektrosztatikus erővel találkoztak, mint amit a Thomson modell megenged. Mivel az alfa-részecskék csak héliummagok (amelyek pozitív töltésűek), ez azt jelentette, hogy az atom pozitív töltése nem széles körben eloszlott, hanem apró térfogatban koncentrálódott. Ezenkívül az a tény, hogy azok a részecskék, amelyek nem alakultak át, akadálytalanul haladtak át, azt jelentette, hogy ezeket a pozitív tereket hatalmas üres helyek választották el egymástól.
1911-ig Ernest Rutherford fizikus értelmezte a Geiger-Marsden kísérleteket és elvette Thomson atommodelljét. Ehelyett egy olyan modellt javasolt, amelyben az atom többnyire üres térből állt, amelynek pozitív töltése a központjában egy nagyon apró térben koncentrálódott, amelyet egy elektronikus felhő vesz körül. Ezt az atom Rutherford modelljének hívták.
Antonius Van den Broek és Niels Bohr későbbi kísérletei tovább finomították a modellt. Míg Van den Broek azt sugallta, hogy egy elem atomszáma nagyon hasonlít annak atommagjával, ez utóbbi javaslatot tett egy atom szoláris rendszerű modelljére, amelyben egy atommag pozitív töltésű atomszámot tartalmaz, és egy azonos az elektronok száma az orbitális héjban (más néven: a Bohr-modell).
Az elektron felhő modell:
Az 1920-as évek során Erwin Schrodinger osztrák fizikus elbűvölte a Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld és más fizikus elméletekkel. Ebben az időben az atomelmélet és a spektrumok területén is részt vett, kutatást végzett a Zürichi Egyetemen, majd a berlini Friedrich Wilhelm Egyetemen (ahol 1927-ben a Planck utódja lett).
1926-ban Schrödinger egy sorozatban foglalkozott a hullámfunkciók és az elektronok kérdésével. A Schrodinger-egyenletnek nevezett részleges differenciálegyenlet, amely leírja, hogyan változik a kvantumrendszer kvantum állapota az idővel, leírása mellett matematikai egyenletekkel is leírta annak valószínűségét, hogy az elektron egy adott helyzetben megtalálható-e. .
Ez lett az alapja annak, amelyet az elektronikus felhő (vagy kvantummechanikai) modellnek, valamint a Schrodinger-egyenletnek nevezünk. A kvantumelmélet alapján, amely kimondja, hogy minden anyagnak tulajdonságai vannak egy hullámfunkcióval kapcsolatban, az elektron felhő modell abban különbözik a Bohr-modelltől, hogy nem határozza meg az elektronok pontos útját.
Ehelyett az elektron helyének valószínű helyzetét előrejelzi a valószínűségek függvénye alapján. A valószínűségi függvény alapvetően egy olyan felhőszerű régiót ír le, ahol valószínűleg megtalálható az elektron, innen a nevét. Ahol a felhő a legsűrűbb, az elektron megtalálásának valószínűsége a legnagyobb; és ahol az elektron kevésbé valószínű, a felhő kevésbé sűrű.
Ezeket a sűrű területeket elektronpályáknak nevezzük, mivel ezek a legvalószínűbb helyek, ahol keringő elektron található. Ha kiterjesztjük ezt a „felhő” modellt egy háromdimenziós térre, akkor egy súlyzó vagy virág alakú atomot látunk (ahogy a felső képen látható). Itt az elágazó régiók azok a térségek, ahol a legvalószínűbb az elektronok megtalálása.
Schrodinger munkájának köszönhetően a tudósok megértették, hogy a kvantummechanika területén lehetetlen egyszerre megismerni az elektron pontos helyét és lendületét. Függetlenül attól, amit a megfigyelő kezdetben tud egy részecskéről, csak a valószínűségek alapján tudják megjósolni a következő helyét vagy lendületét.
Egyik pillanatban sem lesznek képesek megtudni egyiket sem. Valójában minél többet tudnak a részecske lendületéről, annál kevesebbet fognak tudni a részecske helyéről, és fordítva. Ezt hívják manapság „bizonytalanság elvének”.
Felhívjuk figyelmét, hogy az előző bekezdésben említett pályák egy hidrogénatomból állnak (azaz csak egy elektronmal). Ha több atommal rendelkező atomokkal foglalkoznak, az elektronok keringő régiói egyenletesen szétoszlanak egy gömb alakú fuzzy golyóba. Ez az, ahol az „elektron felhő” kifejezés a legmegfelelőbb.
Ezt a hozzájárulást általánosan elismerték a 20. század egyik költségfontosságú hozzájárulásának, amely forradalmat váltott ki a fizika, a kvantummechanika és valójában az összes tudomány területén. A továbbiakban a tudósok már nem az idő és a tér abszolútumai által jellemzett univerzumban dolgoztak, hanem kvantum-bizonytalanságokban és az idő-tér relativitáselméletben!
Sok érdekes cikket írtunk az atomokról és az atommodellekről itt a Space Magazine-ban. Íme: Mi a John Dalton atommodelle ?, Mi az a szilva pudingmodell? Mi az a Bohr atommodell? Ki volt a Democritus? És mi az atom része?
További információkért ellenőrizze, mi az a kvantummechanika? élő tudományból.
A Csillagászat szereplőinek szintén van epizódja a témában, mint például a 130. epizód: rádiócsillagászat, a 138. epizód: a kvantummechanika és a 252. epizód: Heisenbergi bizonytalanság elve
