Початок 20 століття був дуже сприятливим часом для наук. Окрім того, що Ернест Резерфорд та Нільс Бор народили Стандартну модель фізики частинок, це був також період проривів у галузі квантової механіки. Завдяки постійним дослідженням поведінки електронів вчені почали пропонувати теорії, згідно з якими ці елементарні частинки поводилися таким чином, що протиставляли класичну, ньютонівську фізику.
Одним із таких прикладів є електронна модель хмари, запропонована Ервіном Шродінгер. Завдяки цій моделі електрони вже не зображувались як частинки, що рухаються навколо центрального ядра по нерухомій орбіті. Натомість Шродінгер запропонував модель, згідно з якою вчені могли робити лише здогадки про положення електронів. Отже, їх розташування можна було описати лише як частину «хмари» навколо ядра, де, ймовірно, будуть виявлені електрони.
Атомна фізика 20 століття:
Найдавніші відомі приклади атомної теорії походять із Стародавньої Греції та Індії, де такі філософи, як Демокріт, постулювали, що вся матерія складається з крихітних, неподільних та незнищенних одиниць. Термін «атом» був введений в Стародавній Греції і породив школу думки, відому як «атомізм». Однак ця теорія була скоріше філософською концепцією, ніж науковою.
Лише в 19 столітті теорія атомів стала артикулюватися як наукова справа, провівши перші експерименти на основі доказів. Наприклад, на початку 1800-х рр. Англійський вчений Джон Далтон використав концепцію атома, щоб пояснити, чому хімічні елементи реагували певними спостережуваними та передбачуваними способами. Через серію експериментів з газами Далтон продовжував розробляти те, що відомо як атомна теорія Далтона.
Ця теорія розширилася за законами розмови масових і визначених пропорцій і зійшла до п’яти приміщень: елементи, в їх найчистішому стані, складаються з частинок, званих атомами; атоми конкретного елемента - однакові, аж до останнього атома; атоми різних елементів можна розрізнити за їх атомними вагами; атоми елементів об’єднуються, утворюючи хімічні сполуки; атоми не можуть бути створені або знищені в хімічній реакції, тільки групування постійно змінюється.
Відкриття електрона:
В кінці 19 століття вчені також почали теоретизувати, що атом складається з більш ніж однієї фундаментальної одиниці. Однак більшість вчених ризикнули, що ця одиниця буде розміром з найменшого відомого атома - водню. До кінця 19 століття його змінилося кардинально, завдяки таким дослідженням, які проводили такі вчені, як сер Джозеф Джон Томсон.
Через серію експериментів з використанням катодних променевих трубок (відомих як трубка Крукса) Томсон помітив, що катодні промені можуть відхилятися електричним і магнітним полями. Він зробив висновок, що замість того, щоб складатися зі світла, вони складалися з негативно заряджених частинок, які в 1оо разів менше і в 1800 разів легші від водню.
Це фактично спростувало уявлення про те, що атом водню - найменша одиниця речовини, і Томпсон пішов далі, щоб припустити, що атоми не поділяються. Щоб пояснити загальний заряд атома, який складався як з позитивних, так і з негативних зарядів, Томпсон запропонував модель, за якою негативно заряджені «корпускули» розподілялися в єдиному морі позитивного заряду - відомому як модель «Пудингового слива».
Пізніше ці корпускули будуть названі "електронами", засновані на теоретичній частинці, передбаченій англо-ірландським фізиком Джорджем Джонстоуном Стоні в 1874 році. сливовий пиріг і родзинки. Ця концепція була представлена в світі у березні 1904 р. Видання Великобританії Філософський журнал, на широке визнання
Розробка стандартної моделі:
Подальші експерименти виявили низку наукових проблем із моделлю сливового пудингу. Для початківців виникла проблема продемонструвати, що атом має рівномірний позитивний фоновий заряд, який став відомим як «проблема Томсона». Через п'ять років модель буде спростована Гансом Гейгером та Ернестом Марсден, які провели ряд експериментів, використовуючи альфа-частинки та золоту фольгу - ака. "експеримент із золотою фольгою".
У цьому експерименті Гейгер та Марсден вимірювали картину розсіювання альфа-частинок флуоресцентним екраном. Якби модель Томсона була правильною, альфа-частинки безперешкодно проходили б через структуру атома фольги. Однак вони відзначили, що, хоча більшість стріляли прямо, деякі з них були розкидані в різні боки, а частина поверталася назад у напрямку джерела.
Гейгер і Марсден дійшли висновку, що частинки стикалися з електростатичною силою, значно більшою, ніж це дозволяло модель Томсона. Оскільки альфа-частинки є просто ядрами гелію (які є позитивно зарядженими), то це означало, що позитивний заряд в атомі не був широко диспергований, а сконцентрований у невеликому обсязі. Крім того, той факт, що ті частинки, які не відхилялися, проходили крізь безперешкодне, означало, що ці позитивні простори були розділені величезними затоками порожнього простору.
До 1911 року фізик Ернест Резерфорд інтерпретував експерименти Гейгера-Марсдена і відкинув модель атома Томсона. Натомість він запропонував модель, де атом складався здебільшого порожнього простору, а весь його позитивний заряд зосереджений у його центрі в дуже крихітному обсязі, оточеному хмарою електронів. Це стало відомим як Резерфордська модель атома.
Подальші експерименти Антоніуса Ван ден Брука та Нільса Бор ще більше вдосконалили модель. У той час як Ван ден Брук припускав, що атомне число елемента дуже схоже на його ядерний заряд, останній запропонував модель атома, подібну Сонячній системі, де ядро містить атомне число позитивного заряду і оточене рівним кількість електронів в орбітальних оболонках (т.к. модель Бора).
Модель електронних хмар:
Протягом 1920-х років австрійський фізик Ервін Шродінгер захопився теоріями Макса Планка, Альберта Ейнштейна, Нільса Бор, Арнольда Соммерфельда та інших фізиків. За цей час він також взяв участь у галузях атомної теорії та спектрів, займаючись дослідженнями в Цюріхському університеті, а потім університеті імені Фрідріха Вільгельма в Берліні (де він перейшов на посаду Планка в 1927 році).
У 1926 році Шредінгер вирішив питання хвильових функцій та електронів у серії робіт. Окрім опису того, що стало б відомим як рівняння Шредінгера - часткове диференціальне рівняння, яке описує, як квантовий стан квантової системи змінюється з часом - він також використав математичні рівняння, щоб описати ймовірність знаходження електрона у певній позиції .
Це стало основою того, що стало б відомим як Електронна хмарна (або квантова механічна) модель, а також рівняння Шродінгера. Спираючись на квантову теорію, яка стверджує, що вся матерія має властивості, пов'язані з хвильовою функцією, Електронна модель хмари відрізняється від моделі Бора тим, що вона не визначає точний шлях електрона.
Натомість він прогнозує ймовірне положення розташування електрона на основі функції ймовірностей. Функція ймовірності в основному описує хмароподібну область, де електрон, ймовірно, буде знайдений, звідси і назва. Там, де хмара найбільш щільна, ймовірність знайти електрон найбільша; а там, де електрон є менш ймовірним, хмара менш щільна.
Ці щільні області відомі як "електронні орбіталі", оскільки вони є найбільш ймовірним місцем, де буде знайдений орбітальний електрон. Розширюючи цю "хмарну" модель на тривимірний простір, ми бачимо штамп або атом у формі квітки (як на зображенні вгорі). Тут області, що розгалужуються, - це ті, де ми, швидше за все, знаходимо електрони.
Завдяки роботі Шродінгера вчені почали розуміти, що в царині квантової механіки неможливо одночасно дізнатися точне положення та імпульс електрона. Незалежно від того, що спостерігач знає спочатку про частинку, вони можуть лише передбачити її наступне місце розташування чи імпульс з точки зору ймовірностей.
У будь-який момент вони не зможуть встановити жоден із них. Насправді, чим більше вони знають про імпульс частинки, тим менше вони будуть знати про її розташування, і навпаки. Це те, що сьогодні відомо як "Принцип невизначеності".
Зауважимо, що орбіталі, згадані в попередньому абзаці, утворені атомом водню (тобто лише з одним електроном). Маючи справу з атомами, які мають більше електронів, орбітальні області електронів розподіляються рівномірно у сферичну нечітку кулю. Саме тут термін "електронна хмара" є найбільш відповідним.
Цей внесок був загальновизнаний як один з важливих для витрат вкладів XX століття, і той, що спричинив революцію в галузі фізики, квантової механіки і, втім, усіх наук. Відтепер вчені вже не працювали у Всесвіті, який характеризується абсолютами часу та простору, а у квантовій невизначеності та часовій-просторовій відносності!
Ми написали багато цікавих статей про атоми та атомні моделі тут у Space Magazine. Ось що таке атомна модель Джона Далтона ?, що таке модель пудингових сливок ?, що таке атомна модель Бора ?, хто був Демокритом? Та які частини атома?
Для отримання додаткової інформації не забудьте перевірити, що таке квантова механіка? від Live Science.
Астрономічна ролях також має епізод на цю тему, як Епізод 130: Радіоастрономія, Епізод 138: Квантова механіка та Епізод 252: Принцип невизначеності Гейзенберга
