Az atomelmélet nagy utat tett meg az elmúlt néhány ezer évben. Az 5. század elején, a Democritus oszthatatlan „testjeinek” elméletével, amelyek egymással mechanikusan kölcsönhatásba lépnek, majd a Dalton atommodelljére léptek a 18. században, majd a 20. században érlelődnek a szubatomi részecskék és a kvantumelmélet felfedezésével, a felfedezés útja hosszú és kanyargós.
Valószínűleg az út egyik legfontosabb mérföldköve Bohr atommodelle, amelyet néha Rutherford-Bohr atommodellnek is neveznek. Niels Bohr, a dán fizikus 1913-ban javasolt modellje az atomot egy kicsi, pozitív töltésű atommagként szemlélteti, amelyet elektronok vesznek körül, amelyek körkörös pályákon (energiájuk által meghatározva) mozognak a központ körül.
Atomelmélet a 19. 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 arra, 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 keletkezhetnek 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 ez 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 töltésből 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 Rutherford modell:
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.
A Bohr-modell:
Antonius Van den Broek és Niels Bohr későbbi kísérletei tovább finomították a modellt. Míg Van den Broek azt állította, hogy egy elem atomszáma nagyon hasonlít annak atommagjával, ez utóbbi javaslatot tett egy atom szoláris rendszerű modelljére, ahol egy atommag pozitív töltésű atomszámot tartalmaz, és egy azonos az elektronok száma az orbitális héjban (más néven: a Bohr-modell).
Ezenkívül Bohr modellje finomította a Rutherford-modell egyes problémás elemeit. Ide tartoztak a klasszikus mechanikából adódó problémák, amelyek azt jósolták, hogy az elektronok egy atommag keringésekor elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. Az energiavesztés miatt az elektronnak gyorsan befelé spirálnia kellett, és összeesett a magba. Röviden: ez az atommodell azt jelentette, hogy minden atom instabil.
A modell azt is megjósolta, hogy amint az elektronok befelé spirálódnak, emissziójuk frekvenciája gyorsan növekszik, mivel a pálya egyre kisebb és gyorsabb lesz. A 19. század végén végzett kísérletek az elektromos kisülésekkel azonban azt mutatták, hogy az atomok csak bizonyos különálló frekvenciákon bocsátanak ki elektromágneses energiát.
Bohr megoldotta ezt azzal, hogy javasolta, hogy az atommag körül keringő elektronok a Planck sugárzás kvantumelméletével összhangban álljanak. Ebben a modellben az elektronok csak bizonyos megengedett körüli pályákat foglalhatnak el egy adott energiával. Ezen felül csak akkor kaphatnak energiát és veszíthetnek energiát, ha az egyik megengedett pályáról a másikra ugornak, abszorbeálják vagy kibocsátják a folyamat elektromágneses sugárzását.
Ezeket a keringéseket határozott energiákkal társították, amelyekre ő utalt energiahéjak vagy energiaszintek. Más szavakkal: egy atom belsejében lévő elektron energiája nem folyamatos, hanem „kvantált”. Ezeket a szinteket tehát a kvantumszámmal látják el n (n = 1, 2, 3 stb.), amelyet állítása szerint Ryberg-képlettel lehet meghatározni - egy olyan szabályt, amelyet 1888-ban a svéd fizikus Johannes Ryberg fogalmazott meg, hogy leírja sok kémiai elem spektrális vonalának hullámhosszait.
A Bohr-modell hatása:
Míg Bohr modellje bizonyos szempontból úttörőnek bizonyult - a Ryberg állandó és a Planck állandó (más néven kvantumelmélet) összeolvadása a Rutherford-modellel -, bizonyos hibákat szenvedett, amelyeket a későbbi kísérletek szemléltetnének. A kezdőknél azt feltételezte, hogy az elektronok sugara és körüli iránya egyaránt ismert, amit Werner Heisenberg egy évtizeddel később megcáfol a bizonytalanság elvével.
Ezen túlmenően, bár ez hasznos volt az elektronok hidrogénatomok viselkedésének becslésére, Bohr-modell nem volt különösebben hasznos a nagyobb atomok spektrumának megjóslásában. Ezekben az esetekben, ahol az atomok több elektronnal rendelkeznek, az energiaszintek nem voltak összhangban a Bohr előrejelzéseivel. A modell sem működött semleges héliumatomokkal.
A Bohr-modell nem tudta beszámolni a Zeeman-effektusról, amelyet a Pieter Zeeman holland fizikusok említettek 1902-ben, amikor a spektrális vonalakat két vagy többre osztják egy külső, statikus mágneses mező jelenlétében. Emiatt számos finomítást megkíséreltek Bohr atommodelljével, de ezek is problematikusnak bizonyultak.
Végül ez ahhoz vezetne, hogy Bohr modelljét felváltja a kvantumelmélet - összhangban áll Heisenberg és Erwin Schrodinger munkájával. Ennek ellenére Bohr modellje továbbra is hasznos eszközként szolgál arra, hogy a hallgatókat megismertesse a modernabb elméletekkel - mint például a kvantummechanika és a valenciahéj atommodelle.
Fontos mérföldkőnek számít a részecskefizika standard modelljének, az „elektronfelhők”, az elemi részecskék és a bizonytalanság jellemzésének modelljének kidolgozásában is.
Sok érdekes cikket írtunk az atomelméletről itt a Space Magazine-ban. Itt van John Dalton atommodelle, Mi a szilva pudingmodell, mi az elektron felhő modell? Ki volt demokratikus? És mi az atom része?
A Csillagászat szereplőinek is van néhány epizódja a témában: 138. epizód: Kvantummechanika, 139. epizód: Energiaszintek és spektrumok, 378. epizód: Rutherford és atomok és 392. epizód: A standard modell - bevezető.
Forrás:
- Niels Bohr (1913) „Az atomok és molekulák alkotásáról, I. rész”
- Niels Bohr (1913) „Az atomok és molekulák alkotásáról, II. Rész, csak egyetlen magot tartalmazó rendszerek”
- Encyclopaedia Britannica: Borh atommodell
- Hiperfizika - Bohr-modell
- Tennessee Egyetem, Knoxville - A Borh-modell
- Toronto Egyetem - az Atom Bohr-modellje
- NASA - Képzelje el az univerzumot - Háttér: atomok és fényenergia
- Az oktatásról - az Atom Bohr-modellje
