Για πολύ καιρό, η δομή του ατόμου ήταν ένα συζητήσιμο θέμα μεταξύ των φυσικών, μέχρι που εμφανίστηκε ένα μοντέλο που δημιούργησε ο Δανός επιστήμονας Niels Bohr. Δεν ήταν ο πρώτος που προσπάθησε να περιγράψει την κίνηση των υποατομικών σωματιδίων, αλλά ήταν οι εξελίξεις του που κατέστησαν δυνατή τη δημιουργία μιας συνεπούς θεωρίας με την ικανότητα πρόβλεψης της θέσης ενός στοιχειώδους σωματιδίου τη μια ή την άλλη στιγμή.
Διαδρομή ζωής
Ο Niels Bohr γεννήθηκε στις 7 Οκτωβρίου 1885 στην Κοπεγχάγη και πέθανε εκεί στις 18 Νοεμβρίου 1962. Θεωρείται ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς, και δεν είναι περίεργο: ήταν αυτός που κατάφερε να δημιουργήσει ένα συνεπές μοντέλο ατόμων που μοιάζουν με υδρογόνο. Σύμφωνα με το μύθο, είδε σε ένα όνειρο πώς κάτι σαν πλανήτες περιστρέφονταν γύρω από ένα συγκεκριμένο φωτεινό σπάνιο κέντρο. Αυτό το σύστημα στη συνέχεια συρρικνώθηκε δραστικά σε μικροσκοπικό μέγεθος.
Από τότε, ο Bohr έψαχνε σκληρά για έναν τρόπο να μεταφράσει το όνειρο σε τύπους και πίνακες. Μελετώντας προσεκτικά τη σύγχρονη βιβλιογραφία για τη φυσική, πειραματιζόμενοι στο εργαστήριο και σκεπτόμενοι, μπόρεσε να πετύχειστόχους. Ακόμη και η εκ γενετής ντροπαλότητα δεν τον εμπόδισε να δημοσιεύσει τα αποτελέσματα: ντρεπόταν να μιλήσει μπροστά σε μεγάλο κοινό, άρχισε να μπερδεύεται και το κοινό δεν καταλάβαινε τίποτα από τις εξηγήσεις του επιστήμονα.
Πρόδρομοι
Πριν από τον Bohr, οι επιστήμονες προσπάθησαν να δημιουργήσουν ένα μοντέλο του ατόμου με βάση τα αξιώματα της κλασικής φυσικής. Η πιο επιτυχημένη προσπάθεια ανήκε στον Έρνεστ Ράδερφορντ. Ως αποτέλεσμα πολλών πειραμάτων, κατέληξε στο συμπέρασμα για την ύπαρξη ενός τεράστιου ατομικού πυρήνα, γύρω από τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται σε τροχιές. Δεδομένου ότι γραφικά ένα τέτοιο μοντέλο ήταν παρόμοιο με τη δομή του ηλιακού συστήματος, το όνομα του πλανητικού ενισχύθηκε πίσω από αυτό.
Αλλά είχε ένα σημαντικό μειονέκτημα: το άτομο που αντιστοιχεί στις εξισώσεις Rutherford αποδείχθηκε ασταθές. Αργά ή γρήγορα, τα ηλεκτρόνια, που κινούνταν με επιτάχυνση σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα, έπρεπε να πέσουν πάνω στον πυρήνα και η ενέργειά τους θα ξοδευόταν στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Για τον Bohr, το μοντέλο Rutherford έγινε το σημείο εκκίνησης για την οικοδόμηση της δικής του θεωρίας.
Το πρώτο αξίωμα του Bohr
Η κύρια καινοτομία του Μπορ ήταν η απόρριψη της χρήσης της κλασικής Νευτώνειας φυσικής στην κατασκευή της θεωρίας του ατόμου. Έχοντας μελετήσει τα δεδομένα που ελήφθησαν στο εργαστήριο, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένας τόσο σημαντικός νόμος της ηλεκτροδυναμικής όπως η ομοιόμορφα επιταχυνόμενη κίνηση χωρίς ακτινοβολία κυμάτων δεν λειτουργεί στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων.
Το αποτέλεσμα των αντανακλάσεων του ήταν ένας νόμος που ακούγεται ως εξής: ένα ατομικό σύστημα είναι σταθερό μόνο εάν βρίσκεται σε ένα από τα πιθανά ακίνητα(κβαντικές) καταστάσεις, καθεμία από τις οποίες αντιστοιχεί σε μια ορισμένη ενέργεια. Η έννοια αυτού του νόμου, που αλλιώς ονομάζεται αξίωμα των κβαντικών καταστάσεων, είναι να αναγνωρίζει την απουσία ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όταν ένα άτομο βρίσκεται σε μια τέτοια κατάσταση. Επίσης, συνέπεια του πρώτου αξιώματος είναι η αναγνώριση της παρουσίας ενεργειακών επιπέδων στο άτομο.
Κανόνας συχνότητας
Ωστόσο, ήταν προφανές ότι ένα άτομο δεν μπορεί να βρίσκεται πάντα στην ίδια κβαντική κατάσταση, αφού η σταθερότητα αρνείται οποιαδήποτε αλληλεπίδραση, πράγμα που σημαίνει ότι δεν θα υπήρχε ούτε το Σύμπαν ούτε η κίνηση σε αυτό. Η φαινομενική αντίφαση επιλύθηκε από το δεύτερο αξίωμα του μοντέλου ατομικής δομής του Bohr, γνωστό ως κανόνας συχνότητας. Ένα άτομο μπορεί να μετακινηθεί από τη μια κβαντική κατάσταση στην άλλη με μια αντίστοιχη μεταβολή της ενέργειας, εκπέμποντας ή απορροφώντας ένα κβάντο, η ενέργεια του οποίου είναι ίση με τη διαφορά μεταξύ των ενεργειών των στατικών καταστάσεων.
Το δεύτερο αξίωμα έρχεται επίσης σε αντίθεση με την κλασική ηλεκτροδυναμική. Σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell, η φύση της κίνησης ενός ηλεκτρονίου δεν μπορεί να επηρεάσει τη συχνότητα της ακτινοβολίας του.
Φάσμα ατόμων
Το κβαντικό μοντέλο του Bohr κατέστη δυνατό με προσεκτική μελέτη του φάσματος του ατόμου. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι επιστήμονες ντρέπονταν ότι αντί για την αναμενόμενη συνεχή χρωματική περιοχή που λήφθηκε με τη μελέτη των φασμάτων των ουράνιων σωμάτων, το φασματόγραμμα του ατόμου ήταν ασυνεχές. Γραμμές έντονου χρώματος δεν κυλούσαν η μία μέσα στην άλλη, αλλά χωρίζονταν από εντυπωσιακές σκοτεινές περιοχές.
Θεωρία μετάβασης ηλεκτρονίων από μια κβαντική κατάσταση σεένας άλλος εξήγησε αυτή την παραξενιά. Όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινήθηκε από το ένα ενεργειακό επίπεδο στο άλλο, όπου απαιτούνταν λιγότερη ενέργεια από αυτό, εξέπεμπε ένα κβάντο, το οποίο αντανακλούσε στο φασματόγραμμα. Η θεωρία του Bohr έδειξε αμέσως την ικανότητα να προβλέπει περαιτέρω αλλαγές στα φάσματα απλών ατόμων όπως το υδρογόνο.
Ελαττώματα
Η θεωρία του Bohr δεν έσπασε εντελώς με την κλασική φυσική. Διατήρησε ακόμα την ιδέα της τροχιακής κίνησης των ηλεκτρονίων στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του πυρήνα. Η ιδέα της κβαντοποίησης κατά τη μετάβαση από τη μια στατική κατάσταση στην άλλη συμπλήρωσε με επιτυχία το πλανητικό μοντέλο, αλλά και πάλι δεν επέλυσε όλες τις αντιφάσεις.
Αν και υπό το φως του μοντέλου του Bohr, το ηλεκτρόνιο δεν μπορούσε να κάνει σπειροειδή κίνηση και να πέσει στον πυρήνα, ακτινοβολώντας συνεχώς ενέργεια, παρέμενε ασαφές γιατί δεν μπορούσε διαδοχικά να ανέβει σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. Σε αυτή την περίπτωση, όλα τα ηλεκτρόνια αργά ή γρήγορα θα κατέληγαν στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, κάτι που θα οδηγούσε στην καταστροφή του ατόμου. Ένα άλλο πρόβλημα ήταν οι ανωμαλίες στα ατομικά φάσματα που η θεωρία δεν εξηγούσε. Πίσω στο 1896, ο Peter Zeeman διεξήγαγε ένα περίεργο πείραμα. Τοποθέτησε ένα ατομικό αέριο σε ένα μαγνητικό πεδίο και πήρε ένα φασματόγραμμα. Αποδείχθηκε ότι κάποιες φασματικές γραμμές χωρίστηκαν σε αρκετές. Ένα τέτοιο αποτέλεσμα δεν εξηγήθηκε στη θεωρία του Bohr.
Κατασκευάζοντας ένα μοντέλο του ατόμου υδρογόνου σύμφωνα με τον Bohr
Παρά όλες τις ελλείψεις της θεωρίας του, ο Niels Bohr κατάφερε να οικοδομήσει ένα ρεαλιστικό μοντέλο του ατόμου του υδρογόνου. Για να το κάνει αυτό, χρησιμοποίησε τον κανόνα της συχνότητας και τους νόμους της κλασικήςΜηχανική. Οι υπολογισμοί του Bohr για τον προσδιορισμό των πιθανών ακτίνων των τροχιών ηλεκτρονίων και τον υπολογισμό της ενέργειας των κβαντικών καταστάσεων αποδείχθηκαν αρκετά ακριβείς και επιβεβαιώθηκαν πειραματικά. Οι συχνότητες εκπομπής και απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων αντιστοιχούσαν στη θέση των σκοτεινών κενών στα φασματογράμματα.
Έτσι, χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του ατόμου του υδρογόνου, αποδείχθηκε ότι κάθε άτομο είναι ένα κβαντικό σύστημα με διακριτά ενεργειακά επίπεδα. Επιπλέον, ο επιστήμονας μπόρεσε να βρει έναν τρόπο να συνδυάσει την κλασική φυσική και τα αξιώματά του χρησιμοποιώντας την αρχή της αντιστοιχίας. Δηλώνει ότι η κβαντική μηχανική περιλαμβάνει τους νόμους της Νευτώνειας φυσικής. Υπό ορισμένες συνθήκες (για παράδειγμα, εάν ο κβαντικός αριθμός ήταν αρκετά μεγάλος), η κβαντική και η κλασική μηχανική συγκλίνουν. Αυτό αποδείχθηκε από το γεγονός ότι με την αύξηση του κβαντικού αριθμού, το μήκος των σκοτεινών κενών στο φάσμα μειώθηκε μέχρι την πλήρη εξαφάνιση, όπως αναμενόταν υπό το φως των Νευτώνειων εννοιών.
Σημασία
Η εισαγωγή της αρχής της αντιστοιχίας έχει γίνει ένα σημαντικό ενδιάμεσο βήμα προς την αναγνώριση της ύπαρξης ειδικής κβαντικής μηχανικής. Το μοντέλο του ατόμου του Bohr έχει γίνει για πολλούς ένα σημείο εκκίνησης για την κατασκευή πιο ακριβών θεωριών για την κίνηση των υποατομικών σωματιδίων. Ο Niels Bohr δεν μπόρεσε να βρει μια ακριβή φυσική ερμηνεία του κανόνα κβαντοποίησης, αλλά δεν μπορούσε να το κάνει ούτε αυτό, αφού οι κυματικές ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων ανακαλύφθηκαν μόνο με την πάροδο του χρόνου. Ο Louis de Broglie, συμπληρώνοντας τη θεωρία του Bohr με νέες ανακαλύψεις, απέδειξε ότι κάθε τροχιά, σύμφωνα μετο οποίο κινεί το ηλεκτρόνιο είναι ένα κύμα που διαδίδεται από τον πυρήνα. Από αυτή την άποψη, η ακίνητη κατάσταση του ατόμου άρχισε να θεωρείται τέτοια ώστε να σχηματίζεται στην περίπτωση που το κύμα, έχοντας κάνει μια πλήρη περιστροφή γύρω από τον πυρήνα, επαναλαμβάνεται.
