Atómová teória za posledných niekoľko tisíc rokov prešla dlhú cestu. Začínajúc v 5. storočí pred nl s Demokritomov teóriou neoddeliteľných „telies“, ktoré spolu mechanicky interagujú, potom sa v 18. storočí pohybujú na Daltonovom atómovom modeli a potom v 20. storočí objavujú subatomické častice a teóriu kvantovej teórie, cesta objavovania bola dlhá a vinutá.
Pravdepodobne jedným z najdôležitejších míľnikov na ceste bol Bohrov atómový model, ktorý sa niekedy označuje ako atómový model Rutherford-Bohr. Tento model, navrhnutý dánskym fyzikom Nielsom Bohrom v roku 1913, zobrazuje atóm ako malé, pozitívne nabité jadro obklopené elektrónmi, ktoré sa pohybujú okolo kruhových obežných dráh (definované ich úrovňou energie) okolo stredu.
Atómová teória do 19. storočia:
Najstaršie známe príklady atómovej teórie pochádzajú zo starovekom Grécku a Indii, kde filozofi ako Demokritus predpokladali, že všetka hmota sa skladá z malých, nedeliteľných a nezničiteľných jednotiek. Termín „atóm“ bol vytvorený v starovekom Grécku a dal vznik škole myšlienok známej ako „atomizmus“. Táto teória však bola skôr filozofickým než vedeckým.
Teória atómov sa stala vedeckou vecou až v 19. storočí, pričom sa uskutočnili prvé experimenty založené na dôkazoch. Napríklad začiatkom 18. storočia anglický vedec John Dalton použil koncept atómu na vysvetlenie, prečo chemické prvky reagovali určitými pozorovateľnými a predvídateľnými spôsobmi. Prostredníctvom série experimentov zahŕňajúcich plyny, Dalton pokračoval vo vývoji toho, čo je známe ako Daltonova atómová teória.
Táto teória sa rozšírila o zákonoch konverzácie hmoty a určitých rozmerov a zostúpila do piatich priestorov: prvky vo svojom najčistom stave pozostávajú z častíc nazývaných atómy; atómy špecifického prvku sú všetky rovnaké až po posledný atóm; atómy rôznych prvkov je možné rozoznať podľa ich atómových hmotností; atómy prvkov sa spoja, aby vytvorili chemické zlúčeniny; atómy nemôžu byť vytvorené ani zničené chemickou reakciou, iba zoskupenie sa stále mení.
Objav elektrónu:
Koncom 19. storočia vedci tiež začali teoretizovať, že atóm bol tvorený viac ako jednou základnou jednotkou. Väčšina vedcov sa však odvážila, že touto jednotkou bude veľkosť najmenšieho známeho atómu - vodíka. Do konca 19. storočia by sa to drasticky zmenilo vďaka výskumu vedcov, ako je Sir Joseph John Thomson.
Prostredníctvom série experimentov s použitím trubíc s katódovým žiarením (známych ako Crookesova trubica) Thomson pozoroval, že katódové lúče sa môžu odraziť elektrickými a magnetickými poľami. Dospel k záveru, že namiesto toho, aby boli zložené zo svetla, boli vyrobené z negatívne nabitých častíc, ktoré boli 1ooo krát menšie a 1800 krát ľahšie ako vodík.
Toto efektívne vyvrátilo predstavu, že atóm vodíka je najmenšia jednotka hmoty, a Thompson šiel ďalej naznačovať, že atómy sú deliteľné. Na vysvetlenie celkového náboja atómu, ktorý pozostával z kladných aj záporných nábojov, navrhol Thompson model, v ktorom boli záporne nabité „krvinky“ rozdelené do rovnomerného mora pozitívneho náboja - známeho ako slivkový pudingový model.
Tieto telieska by sa neskôr pomenovali „elektróny“ na základe teoretickej častice, ktorú predpovedal anglo-írsky fyzik George Johnstone Stoney v roku 1874. Z tohto dôvodu sa zrodil slivkový pudingový model, ktorý sa veľmi podobal anglickej púšti, ktorá pozostáva z slivkový koláč a hrozienka. Tento koncept bol predstavený svetu v marci 1904 vo Veľkej Británii Filozofický časopis, široko uznávať.
Model Rutherford:
Nasledujúce experimenty odhalili množstvo vedeckých problémov s modrom slivkového pudingu. Pre začiatočníkov bol problém preukázať, že atóm mal jednotný pozitívny náboj na pozadí, ktorý sa stal známym ako „Thomsonov problém“. O päť rokov neskôr by bol tento model vyvrátený Hansom Geigerom a Ernestom Marsdenom, ktorí uskutočnili sériu experimentov s použitím alfa častíc a zlatých fólií - aka. „experiment so zlatou fóliou“.
V tomto experimente Geiger a Marsden zmerali rozptylový obrazec alfa častíc pomocou fluorescenčnej obrazovky. Keby bol Thomsonov model správny, alfa častice by bez prekážok prešli atómovou štruktúrou fólie. Namiesto toho však poznamenali, že zatiaľ čo väčšina zastrelila priamo, niektoré z nich boli rozptýlené rôznymi smermi, z ktorých niektoré sa vracali späť k zdroju.
Geiger a Marsden dospeli k záveru, že častice sa stretli s elektrostatickou silou oveľa väčšou, ako je sila, ktorú umožňuje Thomsonov model. Pretože alfa častice sú iba jadrá hélia (ktoré sú pozitívne nabité), znamená to, že kladný náboj v atóme nebol široko rozptýlený, ale koncentrovaný v malom objeme. Okrem toho skutočnosť, že tie častice, ktoré sa neodchyľujú, prechádzajú bez prekážok, znamenalo, že tieto pozitívne priestory boli oddelené obrovskými zálivami prázdneho priestoru.
Do roku 1911 interpret Ernest Rutherford interpretoval Geiger-Marsdenove experimenty a odmietol Thomsonov model atómu. Namiesto toho navrhol model, v ktorom atóm pozostával prevažne z prázdneho priestoru, ktorého všetok pozitívny náboj sa sústredil v jeho strede vo veľmi malom objeme, ktorý bol obklopený oblakom elektrónov. Toto sa stalo známe ako Rutherfordov model atómu.
Bohr model:
Následné experimenty Antoniusa Van den Broeka a Nielsa Bohra model vylepšili. Zatiaľ čo Van den Broek naznačil, že atómové číslo prvku je veľmi podobné jeho jadrovému náboju, druhý navrhol model atómu podobného slnečnej sústave, kde jadro obsahuje atómové číslo kladného náboja a je obklopené rovnakým počet elektrónov v orbitálnych škrupinách (známy ako Bohrov model).
Bohrov model navyše vylepšil niektoré prvky Rutherfordovho modelu, ktoré boli problematické. Patria sem problémy vyplývajúce z klasickej mechaniky, ktorá predpovedala, že elektróny by uvoľňovali elektromagnetické žiarenie pri obiehaní jadra. Kvôli strate energie by mal elektrón rýchlo stúpať do vnútra a zrútiť sa do jadra. Stručne povedané, tento atómový model znamenal, že všetky atómy boli nestabilné.
Model tiež predpovedal, že keď sa elektróny točia smerom dovnútra, ich emisia by sa rýchlo zvýšila s frekvenciou, keď sa obežná dráha zmenšila a zrýchlila. Pokusy s elektrickým výbojom na konci 19. storočia však ukázali, že atómy emitujú elektromagnetickú energiu iba pri určitých diskrétnych frekvenciách.
Bohr to vyriešil tým, že navrhol, aby elektróny obiehali jadrom spôsobmi, ktoré boli v súlade s Planckovou kvantovou teóriou žiarenia. V tomto modeli môžu elektróny obsadzovať iba určité povolené orbitaly so špecifickou energiou. Ďalej môžu získať a stratiť energiu iba skokom z jednej povolenej obežnej dráhy na druhú, absorbujúcou alebo emitujúcou elektromagnetické žiarenie v procese.
Tieto obežné dráhy boli spojené s určitými energiami, ktoré nazval energetické škrupiny alebo energetické úrovne, Inými slovami, energia elektrónu vo vnútri atómu nie je nepretržitá, ale „kvantovaná“. Tieto hladiny sú teda označené kvantovým číslom n (n = 1, 2, 3 atď.), o ktorej tvrdil, že sa dá určiť pomocou Rybergovho vzorca - pravidlo formulované v roku 1888 švédskym fyzikom Johannesom Rybergom na opis vlnových dĺžok spektrálnych čiar mnohých chemických prvkov.
Vplyv Bohrovho modelu:
Aj keď sa Bohrov model ukázal v niektorých ohľadoch priekopnícky - spojenie Rybergovej konštanty a Planckovej konštanty (aka. Kvantová teória) s Rutherfordovým modelom - trpelo nejakými nedostatkami, ktoré by neskôr ilustrovali experimenty. Pre začiatočníkov sa predpokladalo, že elektróny majú známy polomer aj obežnú dráhu, čo Werner Heisenberg vyvráti o desať rokov neskôr pomocou svojho princípu neistoty.
Okrem toho, hoci to bolo užitočné na predpovedanie správania elektrónov v atómoch vodíka, Bohrov model nebol príliš užitočný pri predpovedaní spektier väčších atómov. V týchto prípadoch, keď atómy majú viac elektrónov, hladiny energie neboli konzistentné s tým, čo Bohr predpovedal. Model tiež nepracoval s neutrálnymi atómami hélia.
Bohrov model tiež nemohol zodpovedať za Zeemanov efekt, jav, ktorý zaznamenali holandskí fyzici Pieter Zeeman v roku 1902, kde sú spektrálne čiary rozdelené na dve alebo viac v prítomnosti vonkajšieho statického magnetického poľa. Z tohto dôvodu sa s Bohrovým atómovým modelom pokúsili o niekoľko vylepšení, ale tie sa tiež ukázali ako problematické.
Nakoniec by to viedlo k tomu, že Bohrov model bol nahradený kvantovou teóriou - v súlade s prácou Heisenberga a Erwina Schrodingera. Bohrov model však zostáva užitočným ako inštruktážny nástroj na oboznámenie študentov s modernejšími teóriami, ako sú kvantová mechanika a atómový model valenčného plášťa.
Ukázalo by sa tiež, že je hlavným míľnikom vo vývoji štandardného modelu fyziky častíc, modelu charakterizovaného „elektrónovými mrakmi“, elementárnymi časticami a neistotou.
Napísali sme veľa zaujímavých článkov o atómovej teórii tu v časopise Space Magazine. Tu je atómový model Johna Daltona, čo je model slivkového pudingu, aký je model elektrónového oblaku ?, Kto bol demokrat? A aké sú jeho časti?
Astronómia Cast má tiež niekoľko epizód na túto tému: Epizóda 138: Kvantová mechanika, Epizóda 139: Úrovne energie a spektrum, Epizóda 378: Rutherford a Atómy a epizóda 392: Štandardný model - úvod.
zdroj:
- Niels Bohr (1913) „O ústave atómov a molekúl, časť I“
- Niels Bohr (1913) „O konštitúcii atómov a molekúl, systémy časti II obsahujúce iba jediný jadro“
- Encyklopédia Britannica: Borh Atómový model
- Hyperphysics - Bohr Model
- University of Tennessee, Knoxville - The Borh Model
- University of Toronto - Bohrov model atómu
- NASA - Predstavte si vesmír - pozadie: Atómy a svetelná energia
- O vzdelávaní - Bohrov model atómu
