Atomska teorija je v zadnjih nekaj tisoč letih napredovala. Začetek v 5. stoletju pr.n.št Demokrit ' teorija nedeljivih 'telec', ki mehansko medsebojno delujejo, nato pa se je v 18. stoletju premaknila na Daltonov atomski model in nato v 20. stoletju dozorela z odkritjem subatomskih delcev in kvantne teorije, je bila pot odkritja dolga in navijanje.
Verjetno je bil eden najpomembnejših mejnikov na poti Bohrov atomski model, ki se včasih imenuje atomski model Rutherford-Bohr. Ta model, ki ga je leta 1913 predlagal danski fizik Niels Bohr, prikazuje atom kot majhno, pozitivno nabito jedro, obdano z elektroni, ki potujejo po krožnih orbitah (opredeljenih z njihovimi energijskimi nivoji) okoli središča.
Atomska teorija do 19. stoletja:
Najzgodnejši znani primeri atomske teorije prihajajo iz antične Grčije in Indije, kjer so filozofi, kot je Demokrit, domnevali, da je vsa snov sestavljena iz drobnih, nedeljivih in neuničljivih enot. Izraz 'atom' je bil skovan v stari Grčiji in je povzročil šolo mišljenja, znano kot 'atomizem'. Vendar je bila ta teorija bolj filozofski koncept kot znanstveni.
Različni atomi in molekule, kot so prikazani v New System of Chemical Philosophy (1808) Johna Daltona. Zasluge: javna domena
Šele v 19. stoletju se je teorija atomov začela artikulirati kot znanstvena zadeva, pri čemer so bili izvedeni prvi eksperimenti, ki temeljijo na dokazih. Na primer, v zgodnjih 1800-ih je angleški znanstvenik John Dalton uporabil koncept atoma, da bi pojasnil, zakaj so kemični elementi reagirali na določene opazne in predvidljive načine. Z vrsto eksperimentov s plini je Dalton razvil tisto, kar je znano kot Daltonova atomska teorija .
Ta teorija se je razširila na zakone pogovora o masi in določenih razsežnostih in se spustila na pet premis: elementi so v svojem najčistejšem stanju sestavljeni iz delcev, imenovanih atomi; atomi določenega elementa so vsi enaki, do zadnjega atoma; atome različnih elementov lahko ločimo po njihovi atomski masi; atomi elementov se združijo v kemične spojine; atomov ni mogoče ustvariti ali uničiti v kemični reakciji, spreminja se le združevanje.
Odkritje elektrona:
Do poznega 19. stoletja so znanstveniki začeli tudi teoretizirati, da je atom sestavljen iz več kot ene temeljne enote. Vendar se je večina znanstvenikov odločila, da bi bila ta enota velikost najmanjšega znanega atoma - vodika. Do konca 19. stoletja bi se to drastično spremenilo, zahvaljujoč raziskavam, ki so jih izvedli znanstveniki, kot je Sir Joseph John Thomson.
Skozi vrsto poskusov z uporabo katodnih cevi (znanih kot Crookesova cev ), Thomson je opazil, da lahko katodne žarke odbijejo električna in magnetna polja. Sklenil je, da so namesto da bi bili sestavljeni iz svetlobe, sestavljeni iz negativno nabitih delcev, ki so bili 1ooo-krat manjši in 1800-krat lažji od vodika.
Model Plum Pudinga atoma, ki ga je predlagal J.J. Thomson. Zasluge: britannica.com
To je dejansko ovrglo idejo, da je atom vodika najmanjša enota snovi, in Thompson je šel še dlje in predlagal, da so atomi deljivi. Za razlago celotnega naboja atoma, ki je sestavljen iz pozitivnih in negativnih nabojev, je Thompson predlagal model, po katerem so bile negativno nabite 'tele' razporejene v enotnem morju pozitivnega naboja - znanem kot Model slivovega pudinga .
Te celice so kasneje poimenovali 'elektroni', na podlagi teoretičnega delca, ki ga je leta 1874 napovedal anglo-irski fizik George Johnstone Stoney. Iz tega se je rodil model Plum Pudding, imenovan tako, ker je zelo podoben angleški puščavi, ki je sestavljena iz slivov kolač in rozine. Koncept je bil svetu predstavljen v britanski izdaji marca 1904 Filozofska revija ,na široko priznanje.
Rutherfordov model:
Kasnejši poskusi so razkrili številne znanstvene težave z modelom Plum Pudinga. Za začetek je bil problem dokazovanja, da ima atom enoten pozitivni naboj ozadja, ki je postal znan kot 'Thomsonov problem'. Pet let pozneje sta model ovrgla Hans Geiger in Ernest Marsden, ki sta izvedla vrsto eksperimentov z uporabo alfa delcev in zlate folije – aka. ' eksperiment z zlato folijo .'
V tem poskusu sta Geiger in Marsden izmerila vzorec sipanja alfa delcev s fluorescentnim zaslonom. Če bi bil Thomsonov model pravilen, bi alfa delci neovirano prešli skozi atomsko strukturo folije. Vendar so namesto tega ugotovili, da je večina streljala naravnost, nekateri pa so bili raztreseni v različnih smereh, nekateri pa so se vrnili v smeri vira.
Diagram s podrobnostmi o 'eksperimentu z zlato folijo', ki sta ga izvedla Hans Geiger in Ernest Marsden. Zasluge: glogster.com
Geiger in Marsden sta ugotovila, da so delci naleteli na elektrostatično silo, ki je veliko večja od tiste, ki jo dovoljuje Thomsonov model. Ker so delci alfa samo helijeva jedra (ki so pozitivno nabita), je to pomenilo, da pozitivni naboj v atomu ni bil široko razpršen, ampak koncentriran v majhnem volumnu. Poleg tega je dejstvo, da so tisti delci, ki se niso odklonili, neovirano šli skozi, pomenilo, da so bili ti pozitivni prostori ločeni z ogromnimi zalivi praznega prostora.
Do leta 1911 je fizik Ernest Rutherford interpretiral eksperimente Geiger-Marsden in zavrnil Thomsonov model atoma. Namesto tega je predlagal model, kjer je atom sestavljen večinoma iz praznega prostora, z vsem svojim pozitivnim nabojem, koncentriranim v njegovem središču v zelo majhnem volumnu, ki je bil obdan z oblakom elektronov. To je postalo znano kot Rutherfordov model atoma.
Bohrov model:
Naknadni poskusi Antoniusa Van den Broeka in Nielsa Bohra so model dodatno izpopolnili. Medtem ko je Van den Broek predlagal, da je atomsko število elementa zelo podobno njegovemu jedrskemu naboju, je slednji predlagal model atoma, podoben sončnemu sistemu, kjer jedro vsebuje atomsko število pozitivnega naboja in je obkroženo z enakim nabojem. število elektronov v orbitalnih lupinah (alias Bohrov model ).
Poleg tega je Bohrov model izpopolnil nekatere elemente Rutherfordovega modela, ki so bili problematični. Med njimi so bili problemi, ki izhajajo iz klasične mehanike, ki je predvidevala, da bodo elektroni sproščali elektromagnetno sevanje, medtem ko krožijo okoli jedra. Zaradi izgube energije bi se moral elektron hitro zavrteti navznoter in se zrušiti v jedro. Skratka, ta atomski model je pomenil, da so vsi atomi nestabilni.
Diagram elektrona, ki pade z višje orbitale na nižjo in oddaja foton. Zasluge za sliko: Wikicommons
Model je tudi napovedal, da se bo, ko se elektroni vrtijo navznoter, njihova emisija hitro povečevala frekvenco, ko bo orbita postajala manjša in hitrejša. Vendar pa so poskusi z električnimi razelektritvami v poznem 19. stoletju pokazali, da atomi oddajajo le elektromagnetno energijo na določenih diskretnih frekvencah.
Bohr je to rešil tako, da je predlagal, da elektroni krožijo okoli jedra na načine, ki so skladni s Planckovo kvantno teorijo sevanja. V tem modelu lahko elektroni zasedajo le določene dovoljene orbitale s specifično energijo. Poleg tega lahko pridobivajo in izgubljajo energijo le tako, da skačejo iz ene dovoljene orbite v drugo in pri tem absorbirajo ali oddajajo elektromagnetno sevanje.
Te orbite so bile povezane z določenimi energijami, ki jih je imenovalenergijske lupineozravni energije. Z drugimi besedami, energija elektrona v atomu ni neprekinjena, ampak 'kvantizirana'. Te ravni so tako označene s kvantnim številomn(n=1, 2, 3 itd.), za katerega je trdil, da se lahko določi z uporabo Rybergova formula – pravilo, ki ga je leta 1888 oblikoval švedski fizik Johannes Ryberg za opis valovnih dolžin spektralnih linij številnih kemičnih elementov.
Vpliv Bohrovega modela:
Medtem ko se je Bohrov model v nekaterih pogledih izkazal za prelomen - združevanje Rybergova konstanta in Planckova konstanta (aka. kvantna teorija) z Rutherfordovim modelom – je trpel zaradi nekaterih pomanjkljivosti, ki bi jih ponazorili kasnejši poskusi. Za začetek je domnevalo, da imajo elektroni tako znan polmer kot orbito, kar bi Werner Heisenberg desetletje pozneje ovrgel Načelo negotovosti .
Poleg tega, čeprav je bil uporaben za napovedovanje obnašanja elektronov v vodikovih atomih, Bohrov model ni bil posebej uporaben pri napovedovanju spektrov večjih atomov. V teh primerih, kjer imajo atomi več elektronov, ravni energije niso bile skladne s tem, kar je napovedal Bohr. Model tudi ni deloval z nevtralnimi atomi helija.
Bohrov model tudi ni mogel upoštevati Zeemanov učinek , pojav, ki ga je leta 1902 opazil nizozemski fizik Pieter Zeeman, kjer se spektralne črte razdelijo na dve ali več v prisotnosti zunanjega statičnega magnetnega polja. Zaradi tega so poskusili več izboljšav z Bohrovim atomskim modelom, vendar so se tudi te izkazale za problematične.
Na koncu bi to pripeljalo do tega, da bi Bohrov model nadomestila kvantna teorija - v skladu z delom Heisenberga in Erwina Schrodingerja. Kljub temu ostaja Bohrov model uporaben kot učno orodje za uvajanje študentov v sodobnejše teorije – kot sta kvantna mehanika in atomski model valenčne lupine.
Izkazalo bi se tudi za pomemben mejnik v razvoju Standardni model fizike delcev , model, za katerega je značilno ' elektronski oblaki «, elementarni delci in negotovost.
Na Universe Today smo napisali veliko zanimivih člankov o atomski teoriji. tukaj Atomski model Johna Daltona , Kaj je model slivovega pudinga , Kaj je model elektronskega oblaka? , Kdo je bil Demokrit? , in Kaj so deli atoma?
Astronomy Cast ima tudi nekaj epizod na to temo: Epizoda 138: Kvantna mehanika , Epizoda 139: Energetske ravni in spektri, Epizoda 378: Rutherford in atomi in Epizoda 392: Standardni model – Uvod .
Viri:
- Niels Bohr (1913) 'O sestavi atomov in molekul, prvi del'
- Niels Bohr (1913) 'O sestavi atomov in molekul, del II Sistemi, ki vsebujejo samo eno jedro'
- Enciklopedija Britannica: Borhov atomski model
- Hiperfizika – Bohrov model
- Univerza v Tennesseeju, Knoxville – Borhov model
- Univerza v Torontu – Bohrov model atoma
- NASA – Predstavljajte si vesolje – Ozadje: atomi in svetlobna energija
- O izobraževanju – Bohrov model atoma