Vir 'n lang tyd was die struktuur van die atoom 'n debatteerbare onderwerp onder fisici, totdat 'n model wat deur die Deense wetenskaplike Niels Bohr geskep is, verskyn het. Hy was nie die eerste wat probeer het om die beweging van subatomiese deeltjies te beskryf nie, maar dit was sy ontwikkelings wat dit moontlik gemaak het om 'n konsekwente teorie te skep met die vermoë om die ligging van 'n elementêre deeltjie een of ander tyd te voorspel.
Lewenspad
Niels Bohr is op 7 Oktober 1885 in Kopenhagen gebore en het op 18 November 1962 daar gesterf. Hy word as een van die grootste fisici beskou, en geen wonder nie: dit was hy wat daarin geslaag het om 'n konsekwente model van waterstofagtige atome te bou. Volgens legende het hy in 'n droom gesien hoe iets soos planete om 'n sekere ligte verdroogde sentrum wentel. Hierdie stelsel het toe drasties gekrimp tot mikroskopiese grootte.
Bohr het sedertdien hard gesoek na 'n manier om die droom in formules en tabelle te vertaal. Deur die moderne literatuur oor fisika noukeurig te bestudeer, in die laboratorium te eksperimenteer en te dink, kon hy sydoelwitte. Selfs aangebore skaamheid het hom nie verhinder om die resultate te publiseer nie: hy was skaam om voor 'n groot gehoor te praat, hy het verward begin raak, en die gehoor het niks uit die wetenskaplike se verduidelikings verstaan nie.
Voorlopers
Voor Bohr het wetenskaplikes probeer om 'n model van die atoom te skep gebaseer op die postulate van klassieke fisika. Die suksesvolste poging het aan Ernest Rutherford behoort. As gevolg van talle eksperimente het hy tot die gevolgtrekking gekom oor die bestaan van 'n massiewe atoomkern, waaromheen elektrone in wentelbane beweeg. Aangesien so 'n model grafies soortgelyk was aan die struktuur van die sonnestelsel, is die naam van die planetêre een daaragter versterk.
Maar dit het 'n beduidende nadeel gehad: die atoom wat met die Rutherford-vergelykings ooreenstem, het geblyk onstabiel te wees. Vroeër of later moes die elektrone, wat met versnelling in wentelbane om die kern beweeg, op die kern val, en hul energie sou aan elektromagnetiese straling bestee word. Vir Bohr het die Rutherford-model die beginpunt geword in die bou van sy eie teorie.
Bohr se eerste postulaat
Bohr se vernaamste innovasie was die verwerping van die gebruik van klassieke Newtoniaanse fisika in die konstruksie van die teorie van die atoom. Nadat hy die data wat in die laboratorium verkry is bestudeer het, het hy tot die gevolgtrekking gekom dat so 'n belangrike wet van elektrodinamika soos eenvormig versnelde beweging sonder golfbestraling nie in die wêreld van elementêre deeltjies werk nie.
Die resultaat van sy refleksies was 'n wet wat soos volg klink: 'n atoomstelsel is slegs stabiel as dit in een van die moontlike stilstaande toestande is.(kwantum) toestande, wat elk ooreenstem met 'n sekere energie. Die betekenis van hierdie wet, wat andersins die postulaat van kwantumtoestande genoem word, is om die afwesigheid van elektromagnetiese straling te erken wanneer 'n atoom in so 'n toestand is. 'n Gevolg van die eerste postulaat is ook die erkenning van die teenwoordigheid van energievlakke in die atoom.
Frekwensiereël
Dit was egter duidelik dat 'n atoom nie altyd in dieselfde kwantumtoestand kan wees nie, aangesien stabiliteit enige interaksie ontken, wat beteken dat daar nóg die Heelal nóg beweging daarin sal wees. Die oënskynlike teenstrydigheid is opgelos deur die tweede postulaat van Bohr se atoomstruktuurmodel, bekend as die frekwensiereël. 'n Atoom is in staat om van een kwantumtoestand na 'n ander te beweeg met 'n ooreenstemmende verandering in energie, wat 'n kwantum uitstraal of absorbeer, waarvan die energie gelyk is aan die verskil tussen die energieë van die stilstaande toestande.
Die tweede postulaat weerspreek ook klassieke elektrodinamika. Volgens Maxwell se teorie kan die aard van die beweging van 'n elektron nie die frekwensie van sy bestraling beïnvloed nie.
Atoomspektrum
Bohr se kwantummodel is moontlik gemaak deur noukeurige studie van die spektrum van die atoom. Vir 'n lang tyd was wetenskaplikes skaam dat in plaas van die verwagte aaneenlopende kleurgebied wat verkry is deur die spektra van hemelliggame te bestudeer, die spektrogram van die atoom diskontinu was. Lyne van helder kleur het nie in mekaar gevloei nie, maar is geskei deur indrukwekkende donker areas.
Teorie van elektronoorgang van een kwantumtoestand na'n ander het hierdie eienaardigheid verduidelik. Wanneer 'n elektron van een energievlak na 'n ander beweeg het, waar minder energie daarvan vereis is, het dit 'n kwantum uitgestraal, wat in die spektrogram gereflekteer is. Bohr se teorie het onmiddellik die vermoë gedemonstreer om verdere veranderinge in die spektra van eenvoudige atome soos waterstof te voorspel.
Flaws
Bohr se teorie het nie heeltemal met klassieke fisika gebreek nie. Sy het steeds die idee van die wentelbaanbeweging van elektrone in die elektromagnetiese veld van die kern behou. Die idee van kwantisering tydens die oorgang van een stilstaande toestand na 'n ander het die planetêre model suksesvol aangevul, maar steeds nie alle teenstrydighede opgelos nie.
Hoewel die elektron in die lig van Bohr se model nie in 'n spiraalbeweging kon gaan en in die kern val nie, en voortdurend energie uitstraal, het dit onduidelik gebly waarom dit nie agtereenvolgens tot hoër energievlakke kon styg nie. In hierdie geval sou alle elektrone vroeër of later in die laagste energietoestand beland, wat tot die vernietiging van die atoom sou lei. Nog 'n probleem was anomalieë in atoomspektra wat die teorie nie verduidelik het nie. Terug in 1896 het Peter Zeeman 'n eienaardige eksperiment uitgevoer. Hy het 'n atoomgas in 'n magnetiese veld geplaas en 'n spektrogram geneem. Dit het geblyk dat sommige spektrale lyne in verskeie verdeel het. So 'n effek is nie in Bohr se teorie verduidelik nie.
Bou 'n model van die waterstofatoom volgens Bohr
Ondanks al die tekortkominge van sy teorie, kon Niels Bohr 'n realistiese model van die waterstofatoom bou. Sodoende het hy die frekwensiereël en die wette van klassieke gebruikmeganika. Bohr se berekeninge om die moontlike radiusse van elektronbane te bepaal en die energie van kwantumtoestande te bereken, het redelik akkuraat geblyk te wees en is eksperimenteel bevestig. Die frekwensies van emissie en absorpsie van elektromagnetiese golwe het ooreengestem met die ligging van donker gapings op die spektrogramme.
Dus, deur die voorbeeld van die waterstofatoom te gebruik, is dit bewys dat elke atoom 'n kwantumstelsel is met afsonderlike energievlakke. Daarbenewens kon die wetenskaplike 'n manier vind om klassieke fisika en sy postulate te kombineer deur die korrespondensiebeginsel te gebruik. Dit stel dat kwantummeganika die wette van Newtonse fisika insluit. Onder sekere omstandighede (byvoorbeeld, as die kwantumgetal groot genoeg was), konvergeer kwantum- en klassieke meganika. Dit is bewys deur die feit dat met 'n toename in die kwantumgetal, die lengte van donker gapings in die spektrum afgeneem het tot volledige verdwyning, soos verwag in die lig van Newtoniaanse konsepte.
Betekenis
Die bekendstelling van die korrespondensiebeginsel het 'n belangrike tussenstap geword in die rigting van die erkenning van die bestaan van spesiale kwantummeganika. Bohr se model van die atoom het vir baie 'n beginpunt geword in die konstruksie van meer akkurate teorieë oor die beweging van subatomiese deeltjies. Niels Bohr kon nie 'n presiese fisiese interpretasie van die kwantiseringsreël vind nie, maar hy kon dit ook nie doen nie, aangesien die golfeienskappe van elementêre deeltjies eers mettertyd ontdek is. Louis de Broglie het Bohr se teorie met nuwe ontdekkings aangevul, bewys dat elke wentelbaan, volgenswat die elektron beweeg, is 'n golf wat vanaf die kern voortplant. Vanuit hierdie oogpunt het die stilstaande toestand van die atoom sodanig begin beskou word dat dit gevorm word in die geval wanneer die golf, wat 'n volledige omwenteling om die kern gemaak het, herhaal.