Η ατομική θεωρία έχει διανύσει πολύ δρόμο τα τελευταία χιλιάδες χρόνια. Ξεκινώντας τον 5ο αιώνα π.Χ. με τη θεωρία του Δημόκριτου για τα αδιαίρετα «πτώματα» που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μηχανικά, μετά μεταβαίνουν στο ατομικό μοντέλο του Ντάλτον τον 18ο αιώνα και στη συνέχεια ωριμάζουν τον 20ο αιώνα με την ανακάλυψη των υποατομικών σωματιδίων και της κβαντικής θεωρίας, το ταξίδι της ανακάλυψης ήταν μακρύ και άνεμο.
Αναμφισβήτητα, ένα από τα πιο σημαντικά ορόσημα στην πορεία ήταν το ατομικό μοντέλο του Bohr, το οποίο μερικές φορές αναφέρεται ως ατομικό μοντέλο Rutherford-Bohr. Το μοντέλο αυτό, το οποίο πρότεινε ο Δανός φυσικός Niels Bohr το 1913, απεικονίζει το άτομο ως έναν μικρό, θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια που ταξιδεύουν σε κυκλικές τροχιές (καθορίζονται από τα επίπεδα ενέργειας τους) γύρω από το κέντρο.
Ατομική θεωρία στον 19ο αιώνα:
Τα πρώτα γνωστά παραδείγματα ατομικής θεωρίας προέρχονται από την αρχαία Ελλάδα και την Ινδία, όπου φιλόσοφοι όπως ο Δημόκριτος ισχυρίστηκαν ότι όλη η ύλη αποτελείται από μικροσκοπικές, αδιαίρετες και άφθαρτες μονάδες. Ο όρος «άτομο» επινοήθηκε στην αρχαία Ελλάδα και δημιούργησε τη σχολή σκέψης γνωστή ως «ατομισμός». Ωστόσο, αυτή η θεωρία ήταν περισσότερο φιλοσοφική αντί για επιστημονική.
Μόνο τον 19ο αιώνα η θεωρία των ατόμων έγινε αρθρωτή ως επιστημονική ύλη, με τα πρώτα πειράματα που βασίζονται σε στοιχεία. Για παράδειγμα, στις αρχές του 1800, ο Άγγλος επιστήμονας John Dalton χρησιμοποίησε την έννοια του ατόμου για να εξηγήσει γιατί τα χημικά στοιχεία αντέδρασαν με ορισμένους παρατηρήσιμους και προβλέψιμους τρόπους. Μέσα από μια σειρά πειραμάτων που αφορούσαν αέρια, ο Dalton συνέχισε να αναπτύσσει αυτό που είναι γνωστό ως η ατομική θεωρία του Dalton.
Αυτή η θεωρία επεκτάθηκε στους νόμους της συνομιλίας της μάζας και των συγκεκριμένων αναλογιών και κατέληξε σε πέντε υποθέσεις: τα στοιχεία, στην πιο καθαρή τους κατάσταση, αποτελούνται από σωματίδια που ονομάζονται άτομα. τα άτομα ενός συγκεκριμένου στοιχείου είναι όλα τα ίδια, μέχρι το τελευταίο άτομο. άτομα διαφορετικών στοιχείων μπορούν να ξεχωρίζουν από τα ατομικά τους βάρη. άτομα των στοιχείων ενώνονται για να σχηματίσουν χημικές ενώσεις. Τα άτομα δεν μπορούν ούτε να δημιουργηθούν ούτε να καταστραφούν σε χημική αντίδραση, αλλά μόνο η ομαδοποίηση αλλάζει.
Ανακάλυψη του Ηλεκτρονίου:
Στα τέλη του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες άρχισαν επίσης να θεωρούν ότι το άτομο αποτελείται από περισσότερες από μία θεμελιώδεις μονάδες. Ωστόσο, οι περισσότεροι επιστήμονες τολμούσαν ότι αυτή η μονάδα θα ήταν το μέγεθος του μικρότερου γνωστού ατόμου - υδρογόνου. Μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα, αυτό θα άλλαζε δραστικά, χάρη στην έρευνα που διεξήχθη από επιστήμονες όπως ο Sir Joseph John Thomson.
Μέσα από μια σειρά πειραμάτων που χρησιμοποιούν καθοδικούς σωλήνες (γνωστός ως Crookes ’Tube), ο Thomson παρατήρησε ότι οι ακτίνες καθόδου θα μπορούσαν να εκτραπούν από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι, αντί να αποτελούνται από φως, αποτελούνται από αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που ήταν 1ooo φορές μικρότερα και 1800 φορές ελαφρύτερα από το υδρογόνο.
Αυτό απέδειξε αποτελεσματικά την ιδέα ότι το άτομο υδρογόνου ήταν η μικρότερη μονάδα ύλης και ο Thompson προχώρησε περαιτέρω για να υποδηλώσει ότι τα άτομα ήταν διαιρετά. Για να εξηγήσει το συνολικό φορτίο του ατόμου, το οποίο συνίστατο τόσο από θετικά όσο και από αρνητικά φορτία, ο Thompson πρότεινε ένα μοντέλο σύμφωνα με το οποίο τα αρνητικά φορτισμένα «πτώματα» διανεμήθηκαν σε μια ομοιόμορφη θάλασσα θετικού φορτίου - γνωστό ως το Plum Pudding Model.
Αυτά τα πτώματα θα ονομάζονταν αργότερα «ηλεκτρόνια», με βάση το θεωρητικό σωματίδιο που προέβλεπε ο Αγγλο-Ιρλανδός φυσικός George Johnstone Stoney το 1874. Και από αυτό, το μοντέλο Plum Pudding γεννήθηκε, ονομάστηκε έτσι επειδή μοιάζει πολύ με την αγγλική έρημο που αποτελείται από δαμάσκηνο και σταφίδες. Η ιδέα εισήχθη στον κόσμο την έκδοση Μαρτίου του 1904 του Ηνωμένου Βασιλείου Φιλοσοφικό Περιοδικό, σε ευρεία αναγνώριση.
Το μοντέλο Rutherford:
Τα επόμενα πειράματα αποκάλυψαν ορισμένα επιστημονικά προβλήματα με το μοντέλο Plum Pudding. Για αρχάριους, υπήρχε το πρόβλημα της απόδειξης ότι το άτομο είχε ένα ομοιόμορφο θετικό φορτίο φόντου, το οποίο έγινε γνωστό ως "Πρόβλημα Thomson". Πέντε χρόνια αργότερα, το μοντέλο θα απορριφθεί από τους Hans Geiger και Ernest Marsden, οι οποίοι διεξήγαγαν μια σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας σωματίδια άλφα και αλουμινόχαρτο. το «πείραμα χρυσού φύλλου».
Σε αυτό το πείραμα, οι Geiger και Marsden μέτρησαν το μοτίβο σκέδασης των σωματιδίων άλφα με μια οθόνη φθορισμού. Εάν το μοντέλο του Thomson ήταν σωστό, τα σωματίδια άλφα θα περνούσαν από την ατομική δομή του φύλλου χωρίς εμπόδια. Ωστόσο, σημείωσαν ότι ενώ οι περισσότεροι πυροβόλησαν κατευθείαν, μερικές από αυτές ήταν διασκορπισμένες σε διάφορες κατευθύνσεις, με κάποιες να επιστρέφουν προς την κατεύθυνση της πηγής.
Ο Geiger και ο Marsden κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα σωματίδια αντιμετώπισαν ηλεκτροστατική δύναμη πολύ μεγαλύτερη από αυτήν που επέτρεπε το μοντέλο του Thomson. Δεδομένου ότι τα σωματίδια άλφα είναι μόνο πυρήνες ηλίου (οι οποίοι είναι θετικά φορτισμένοι) αυτό σήμαινε ότι το θετικό φορτίο στο άτομο δεν ήταν ευρέως διασκορπισμένο, αλλά συγκεντρώθηκε σε μικρό όγκο. Επιπλέον, το γεγονός ότι αυτά τα σωματίδια που δεν παραμορφώθηκαν περνούσαν απρόσκοπτα σήμαινε ότι αυτοί οι θετικοί χώροι χωρίστηκαν από τεράστιους κόλπους κενού χώρου.
Μέχρι το 1911, ο φυσικός Ernest Rutherford ερμήνευσε τα πειράματα Geiger-Marsden και απέρριψε το μοντέλο του ατόμου του Thomson. Αντ 'αυτού, πρότεινε ένα μοντέλο όπου το άτομο αποτελούταν κυρίως από κενό χώρο, με όλο το θετικό φορτίο να συγκεντρώνεται στο κέντρο του σε έναν πολύ μικρό όγκο, που περιβάλλεται από ένα σύννεφο ηλεκτρονίων. Αυτό έγινε γνωστό ως το μοντέλο Rutherford του ατόμου.
Το μοντέλο Bohr:
Τα επόμενα πειράματα των Antonius Van den Broek και Niels Bohr βελτίωσαν περαιτέρω το μοντέλο. Ενώ ο Van den Broek πρότεινε ότι ο ατομικός αριθμός ενός στοιχείου είναι πολύ παρόμοιος με το πυρηνικό του φορτίο, το τελευταίο πρότεινε ένα μοντέλο του ατόμου που μοιάζει με ηλιακό σύστημα, όπου ένας πυρήνας περιέχει τον ατομικό αριθμό θετικού φορτίου και περιβάλλεται από ένα ίσο αριθμός ηλεκτρονίων σε τροχιακά κελύφη (γνωστό και ως μοντέλο Bohr).
Επιπλέον, το μοντέλο Bohr βελτίωσε ορισμένα στοιχεία του μοντέλου Rutherford που ήταν προβληματικά. Σε αυτά περιλαμβάνονται τα προβλήματα που προκύπτουν από την κλασική μηχανική, η οποία προέβλεπε ότι τα ηλεκτρόνια θα απελευθερώνουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ενώ θα περιστρέφονται σε τροχιά σε έναν πυρήνα. Λόγω της απώλειας ενέργειας, το ηλεκτρόνιο έπρεπε να περιστραφεί γρήγορα προς τα μέσα και να καταρρεύσει στον πυρήνα. Εν ολίγοις, αυτό το ατομικό μοντέλο υπονοούσε ότι όλα τα άτομα ήταν ασταθή.
Το μοντέλο προέβλεψε επίσης ότι καθώς τα ηλεκτρόνια περιστρέφονταν προς τα μέσα, οι εκπομπές τους θα αυξάνονταν γρήγορα στη συχνότητα καθώς η τροχιά έγινε μικρότερη και γρηγορότερη. Ωστόσο, τα πειράματα με ηλεκτρικές εκκενώσεις στα τέλη του 19ου αιώνα έδειξαν ότι τα άτομα εκπέμπουν μόνο ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε ορισμένες διακριτές συχνότητες.
Ο Bohr το έλυσε προτείνοντας ότι τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα με τρόπους που ήταν σύμφωνοι με την κβαντική θεωρία της ακτινοβολίας του Planck. Σε αυτό το μοντέλο, τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλαμβάνουν μόνο ορισμένα επιτρεπόμενα τροχιακά με συγκεκριμένη ενέργεια. Επιπλέον, μπορούν μόνο να κερδίσουν και να χάσουν ενέργεια πηδώντας από μια επιτρεπόμενη τροχιά σε άλλη, απορροφώντας ή εκπέμποντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στη διαδικασία.
Αυτές οι τροχιές συσχετίστηκαν με συγκεκριμένες ενέργειες, τις οποίες αναφέρθηκε ως ενεργειακά κελύφη ή επίπεδα ενέργειας. Με άλλα λόγια, η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου μέσα σε ένα άτομο δεν είναι συνεχής, αλλά «κβαντοποιημένη». Αυτά τα επίπεδα επισημαίνονται έτσι με τον κβαντικό αριθμό ν (n = 1, 2, 3 κ.λπ.) που ισχυρίστηκε ότι μπορούσε να καθοριστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο Ryberg - έναν κανόνα που διατυπώθηκε το 1888 από τον Σουηδό φυσικό Johannes Ryberg για να περιγράψει τα μήκη κύματος των φασματικών γραμμών πολλών χημικών στοιχείων.
Επίδραση του μοντέλου Bohr:
Ενώ το μοντέλο του Bohr αποδείχθηκε πρωτοποριακό από ορισμένες απόψεις - συγχώνευση της σταθεράς του Ryberg και της σταθεράς του Planck (γνωστή και ως κβαντική θεωρία) με το μοντέλο Rutherford - υπέφερε από κάποια ελαττώματα τα οποία αργότερα θα έδειχναν τα πειράματα. Για αρχάριους, υποτίθεται ότι τα ηλεκτρόνια έχουν μια γνωστή ακτίνα και τροχιά, κάτι που ο Werner Heisenberg θα διαψεύσει μια δεκαετία αργότερα με την Αρχή της Αβεβαιότητας.
Επιπλέον, ενώ ήταν χρήσιμο για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στα άτομα υδρογόνου, το μοντέλο του Bohr δεν ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο στην πρόβλεψη των φασμάτων των μεγαλύτερων ατόμων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, όπου τα άτομα έχουν πολλαπλά ηλεκτρόνια, τα επίπεδα ενέργειας δεν ήταν συνεπή με αυτά που προέβλεπε ο Bohr. Το μοντέλο επίσης δεν λειτούργησε με ουδέτερα άτομα ηλίου.
Το μοντέλο Bohr δεν μπορούσε επίσης να εξηγήσει το Zeeman Effect, ένα φαινόμενο που σημείωσε ο Ολλανδός φυσικός Pieter Zeeman το 1902, όπου οι φασματικές γραμμές χωρίζονται σε δύο ή περισσότερες παρουσία ενός εξωτερικού, στατικού μαγνητικού πεδίου. Εξαιτίας αυτού, επιχειρήθηκαν αρκετές βελτιώσεις με το ατομικό μοντέλο του Bohr, αλλά και αυτές αποδείχθηκαν προβληματικές.
Στο τέλος, αυτό θα οδηγούσε στο μοντέλο του Bohr να αντικατασταθεί από την κβαντική θεωρία - σύμφωνα με το έργο των Heisenberg και Erwin Schrodinger. Ωστόσο, το μοντέλο του Bohr παραμένει χρήσιμο ως εκπαιδευτικό εργαλείο για την εισαγωγή των μαθητών σε πιο σύγχρονες θεωρίες - όπως η κβαντική μηχανική και το ατομικό μοντέλο του κελύφους σθένους.
Θα αποδειχθεί επίσης ότι αποτελεί σημαντικό ορόσημο για την ανάπτυξη του Πρότυπου Μοντέλου της φυσικής των σωματιδίων, ένα μοντέλο που χαρακτηρίζεται από «σύννεφα ηλεκτρονίων», στοιχειώδη σωματίδια και αβεβαιότητα.
Έχουμε γράψει πολλά ενδιαφέροντα άρθρα σχετικά με την ατομική θεωρία εδώ στο Space Magazine. Εδώ είναι το Ατομικό Μοντέλο του John Dalton, Τι είναι το Μοντέλο Πουτίγκα Plum, Ποιο είναι το Μοντέλο Cloud Ηλεκτρονίων;, Ποιος ήταν Δημοκρίτειος;
Το Astronomy Cast έχει επίσης κάποια επεισόδια στο θέμα: Επεισόδιο 138: Κβαντομηχανική, Επεισόδιο 139: Ενεργειακά Επίπεδα και Φάσμα, Επεισόδιο 378: Rutherford and Atoms και Episode 392: The Standard Model - Intro.
Πηγές:
- Niels Bohr (1913) «Για το Σύνταγμα των ατόμων και των μορίων, μέρος Ι»
- Niels Bohr (1913) «Σχετικά με τη σύνταξη ατόμων και μορίων, Μέρος ΙΙ συστήματα που περιέχουν μόνο έναν πυρήνα»
- Εγκυκλοπαίδεια Britannica: Borh Atomic Model
- Υπερφυσική - Μοντέλο Bohr
- Πανεπιστήμιο του Τενεσί, Knoxville - Το μοντέλο Borh
- Πανεπιστήμιο του Τορόντο - Το μοντέλο Bohr του Atom
- NASA - Φανταστείτε το σύμπαν - Ιστορικό: άτομα και ελαφριά ενέργεια
- Σχετικά με την Εκπαίδευση - Bohr Model of the Atom
