Атомна теорія пройшла довгий шлях за останні кілька тисяч років. Починаючи з V ст. До н.е. з теорією Демокрита про неподільних «корпускули», які механічно взаємодіють між собою, потім переходять на атомну модель Дальтона у 18 столітті, а потім дозрівають у 20 столітті з відкриттям субатомних частинок та квантової теорії, шлях відкриття був довгим і звивистим.
Можливо, однією з найважливіших віх на цьому шляху стала атомна модель Бора, яку іноді називають атомною моделлю Резерфорда-Бор. Запропонований датським фізиком Нільсом Бор в 1913 році, ця модель зображує атом як невелике, позитивно заряджене ядро, оточене електронами, які рухаються по кругових орбітах (визначених їх енергетичним рівнем) навколо центру.
Атомна теорія 19 століття:
Найдавніші відомі приклади атомної теорії походять із Стародавньої Греції та Індії, де такі філософи, як Демокріт, постулювали, що вся матерія складається з крихітних, нероздільних 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 це зміниться 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
Модель Резерфорда:
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.
Модель Бора:
Наступні експерименти Антоніуса Ван ден Брука та Нільса Бор вдосконалили модель ще більше. 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).
Крім того, модель Бора уточнила деякі елементи моделі Резерфорда, які були проблематичними. Сюди входили проблеми, що виникають із класичної механіки, яка передбачала, що електрони випускають електромагнітне випромінювання під час орбіти ядра. Через втрати енергії електрон повинен був швидко спіралізуватися всередину і впасти в ядро. Коротше кажучи, ця атомна модель передбачала, що всі атоми були нестабільними.
Модель також передбачила, що у міру того, як електрони спіралізуються всередину, їх випромінювання буде швидко збільшуватися по частоті, оскільки орбіта стає меншою і швидшою. Однак експерименти з електричними розрядами в кінці 19 століття показали, що атоми випромінюють електромагнітну енергію лише з певними дискретними частотами.
Бор вирішив це, запропонувавши, що електрони обертаються навколо ядра способами, що відповідають квантовій теорії випромінювання Планка. У цій моделі електрони можуть займати лише певні дозволені орбіталі з певною енергією. Крім того, вони можуть лише набирати і втрачати енергію, стрибаючи з однієї дозволеної орбіти на іншу, поглинаючи або випромінюючи електромагнітне випромінювання в процесі.
Ці орбіти були пов'язані з певними енергіями, які він називав енергетичні оболонки або енергетичні рівні. Іншими словами, енергія електрона всередині атома не є неперервною, а “квантована”. Таким чином, ці рівні позначені квантовим числом н (n = 1, 2, 3 і т.д.), яку він стверджував, можна визначити, використовуючи формулу Ріберга - правило, сформульоване в 1888 р. шведським фізиком Йоханнесом Рибергом для опису довжин хвиль спектральних ліній багатьох хімічних елементів.
Вплив моделі Бора:
Хоча модель Бора в деяких аспектах виявилася новаторською - злиття постійної Райберга і константи Планка (ака. Квантова теорія) з моделлю Резерфорда - вона постраждала від деяких недоліків, які пізніші експерименти ілюструють. Для початку передбачалося, що електрони мають як відомий радіус, так і орбіту - те, що Вернер Гейзенберг спростує через десятиліття своїм принципом невизначеності.
Крім того, хоча вона була корисною для прогнозування поведінки електронів у атомах водню, модель Бора не була особливо корисною для прогнозування спектрів більших атомів. У цих випадках, коли атоми мають кілька електронів, рівні енергії не відповідали тому, що передбачив Бор. Модель також не працювала з нейтральними атомами гелію.
Модель Бора також не могла пояснити ефект Земана, явище, відмічене голландськими фізиками Пітером Зееманом у 1902 р., Коли спектральні лінії розбиті на дві або більше за наявності зовнішнього статичного магнітного поля. Через це було здійснено кілька уточнень з атомною моделлю Бора, але вони теж виявилися проблематичними.
Врешті-решт, це призведе до того, що модель Бора буде замінена квантовою теорією - відповідно до роботи Гейзенберга та Ервіна Шродінгера. Тим не менш, модель Бора залишається корисною як інструктивний інструмент для ознайомлення студентів з більш сучасними теоріями - такими як квантова механіка та атомна модель валентної оболонки.
Це також виявилося б головною віхою в розробці Стандартної моделі фізики частинок - моделі, що характеризується "електронними хмарами", елементарними частинками та невизначеністю.
Ми написали багато цікавих статей про атомну теорію тут у Space Magazine. Ось атомна модель Джона Далтона, що таке модель пудингової сливової, що таке електронна хмарна модель? Хто був Демокріт ?, і які частини Атома?
Астрономічна ролях також має кілька епізодів на тему: Епізод 138: Квантова механіка, Епізод 139: Енергетичні рівні та спектри, Епізод 378: Резерфорд і Атоми та Епізод 392: Стандартна модель - Вступ.
Джерела:
- Нільс Бор (1913) «Про Конституцію атомів та молекули, частина I»
- Нільс Бор (1913 р.) "Про Конституцію атомів та молекули, частина II систем, що містять лише одне ядро"
- Енциклопедія Британіка: Атомна модель Борха
- Гіперфізика - модель Бора
- Університет Теннессі, Ноксвілл - модель Борха
- Університет Торонто - Борова модель Атома
- НАСА - Уявіть собі Всесвіт - Передумови: Атоми та світлова енергія
- Про освіту - Борова модель Атома
