Atomu teorija ir nogājusi garu ceļu pēdējo pāris tūkstošu gadu laikā. Sākot ar 5. gadsimtu pirms mūsu ēras ar Democritus teoriju par nedalāmiem “asinsķermenīšiem”, kas mijiedarbojas viens ar otru, pēc tam pārejot uz Daltona atomu modeli 18. gadsimtā un pēc tam nobriestot 20. gadsimtā, atklājot subatomiskās daļiņas un kvantu teoriju, atklāšanas ceļojums ir bijis garš un noslēdzošs.
Neapšaubāmi, viens no vissvarīgākajiem pavērsiena punktiem ir Boha atomu modelis, ko dažreiz dēvē par Rutherforda-Bora atomu modeli. Diāņu fiziķa Nīla Bora ierosinātais 1913. gadā šis modelis atomu attēlo kā mazu pozitīvi lādētu kodolu, kuru ieskauj elektroni, kuri ap centru pārvietojas apļveida orbītā (ko nosaka viņu enerģijas līmenis).
Atomu teorija līdz 19. gadsimtam:
Agrākie zināmie atomu teorijas piemēri nāk no senās Grieķijas un Indijas, kur tādi filozofi kā Democritus postulēja, ka visa matērija sastāv no niecīgām, nedalāmām un neiznīcināmām vienībām. Termins “atoms” tika radīts senajā Grieķijā un radīja domas skolu, kas pazīstama kā “atomisms”. Tomēr šī teorija drīzāk bija filozofiska, nevis zinātniska.
Tikai 19. gadsimtā atomu teorija kļuva par zinātnisku jautājumu, un tika veikti pirmie uz pierādījumiem balstīti eksperimenti. Piemēram, 1800. gadu sākumā angļu zinātnieks Džons Daltons izmantoja atoma jēdzienu, lai izskaidrotu, kāpēc ķīmiskie elementi reaģēja noteiktos novērojamos un paredzamos veidos. Veicot virkni eksperimentu, kas saistīti ar gāzēm, Daltons turpināja attīstīt tā dēvēto Daltona atomu teoriju.
Šī teorija izvērsa masu un noteiktu proporciju sarunu likumus un nonāca pie piecām telpām: elementi, tīrākajā stāvoklī, sastāv no daļiņām, kuras sauc par atomiem; noteikta elementa atomi ir vienādi, līdz pat pēdējam atomam; dažādu elementu atomus var atšķirt pēc to atomu svara; elementu atomi apvienojas, veidojot ķīmiskus savienojumus; atomus nevar ne radīt, ne iznīcināt ķīmiskajā reakcijā, tikai grupas vienmēr mainās.
Elektrona atklāšana:
Līdz 19. gadsimta beigām zinātnieki arī sāka teorēt, ka atoms sastāv no vairāk nekā vienas pamatvienības. Tomēr vairums zinātnieku uzdrošinājās, ka šī vienība būs mazākā zināmā atoma - ūdeņraža - izmērs. Līdz 19. gadsimta beigām tas krasi mainītos, pateicoties pētījumiem, kurus veikuši tādi zinātnieki kā sers Džozefs Džons Thomsons.
Veicot virkni eksperimentu, izmantojot katodstaru lampas (pazīstamas kā Crookes 'Tube), Thomson novēroja, ka katoda starus var novirzīt ar elektrisko un magnētisko lauku. Viņš secināja, ka tā vietā, lai tos veidotu no gaismas, tie bija veidoti no negatīvi lādētām daļiņām, kas bija 1 reizes reižu mazākas un 1800 reizes vieglākas nekā ūdeņradis.
Tas faktiski atspēkoja uzskatu, ka ūdeņraža atoms ir mazākā matērijas vienība, un Tompsons devās tālāk, liekot domāt, ka atomi ir dalāmi. Lai izskaidrotu kopējo atoma lādiņu, kas sastāvēja no gan pozitīvajiem, gan negatīvajiem lādiņiem, Tompsons ierosināja modeli, ar kuru negatīvi lādētos “asinsķermenīšus” izdalīja vienotā pozitīvā lādiņa jūrā - kas pazīstams kā Plum Pudding Model.
Šie asinsķermenīši vēlāk tiks nosaukti par “elektroniem”, balstoties uz teorētiskajām daļiņām, kuras 1874. gadā paredzēja anglo-īru fiziķis Džordžs Džonstons Stonejs. Un no tā radās Plūmju pudinga modelis, kas tika nosaukts tāpēc, ka tas ļoti līdzinājās angļu tuksnesim, kas sastāv no plūmju kūka un rozīnes. Koncepcija tika iepazīstināta ar pasauli Apvienotās Karalistes 1904. gada marta izdevumā Filozofiskais žurnāls, uz plašu atzinību.
Rutherfordas modelis:
Turpmākie eksperimenti atklāja vairākas zinātniskas problēmas ar Plum Pudding modeli. Iesācējiem radās problēma pierādīt, ka atomam ir vienāds pozitīvs fona lādiņš, ko sauca par “Thomson problēmu”. Pēc pieciem gadiem modeli atspēkos Hanss Geigers un Ernests Marsdens, kuri veica virkni eksperimentu, izmantojot alfa daļiņas un zelta foliju - aka. “zelta folijas eksperiments”.
Šajā eksperimentā Geigers un Marsdens izmērīja alfa daļiņu izkliedes modeli ar dienasgaismas ekrānu. Ja Thomsona modelis būtu pareizs, alfa daļiņas netraucēti šķērsotu folijas atomu struktūru. Tomēr tā vietā viņi atzīmēja, ka, lai gan lielākā daļa tika izšauti taisni cauri, daži no tiem tika izkliedēti dažādos virzienos, bet daži devās atpakaļ avota virzienā.
Geigers un Marsdens secināja, ka daļiņas ir saskārušās ar elektrostatisko spēku, kas ir daudz lielāks, nekā to atļauj Tomsona modelis. Tā kā alfa daļiņas ir tikai hēlija kodoli (kas ir pozitīvi lādēti), tas nozīmēja, ka pozitīvais lādiņš atomā nebija plaši izkliedēts, bet koncentrēts nelielā tilpumā. Turklāt fakts, ka tās daļiņas, kuras nebija novirzītas, šķērsoja netraucēti, nozīmēja, ka šīs pozitīvās telpas atdalīja milzīgas tukšas telpas līči.
Līdz 1911. gadam fiziķis Ernests Rutherfords interpretēja Geigera-Marsdena eksperimentus un noraidīja Tomsa atoma modeli. Tā vietā viņš ierosināja modeli, kurā atoms sastāvēja galvenokārt no tukšas vietas, ar visu pozitīvo lādiņu koncentrējoties tā centrā ļoti niecīgā tilpumā, kuru ieskauj elektronu mākonis. Tas kļuva pazīstams kā Rutherforda atoma modelis.
Bohra modelis:
Turpmākie Antonija Van den Brūka un Nīla Bora eksperimenti modeli vēl pilnveidoja. Kamēr Van den Brūks ierosināja, ka elementa atomu skaits ir ļoti līdzīgs tā kodola lādiņam, pēdējais ierosināja Saules sistēmai līdzīgu atoma modeli, kur kodolā ir pozitīvā lādiņa atomu skaits un to ieskauj vienāda elektronu skaits orbītas apvalkos (pazīstams arī kā Bohra modelis).
Turklāt Bora modelis uzlaboja dažus Rutherforda modeļa elementus, kas bija problemātiski. Tajos ietilpa klasiskās mehānikas problēmas, kas paredzēja, ka elektroni izdalīs elektromagnētisko starojumu, riņķojot pa kodolu. Enerģijas zuduma dēļ elektronam vajadzēja strauji spirālēt uz iekšu un sabrukt kodolā. Īsāk sakot, šis atomu modelis nozīmēja, ka visi atomi bija nestabili.
Modelis arī paredzēja, ka, elektroniem virzoties uz iekšu, to emisija strauji palielināsies, jo orbīta kļūs mazāka un ātrāka. Tomēr eksperimenti ar elektrisko izlādi 19. gadsimta beigās parādīja, ka atomi izstaro elektromagnētisko enerģiju tikai noteiktās diskrētās frekvencēs.
Bohrs to atrisināja, ierosinot, ka elektroni, kas riņķo ap kodolu, veidos, kas ir saskaņā ar Planka radiācijas kvantu teoriju. Šajā modelī elektroni var aizņemt tikai noteiktas atļautas orbitāles ar noteiktu enerģiju. Turklāt viņi var iegūt un zaudēt enerģiju tikai tad, ja pāriet no vienas atļautās orbītas uz otru, procesa laikā absorbējot vai izstarojot elektromagnētisko starojumu.
Šīs orbītas bija saistītas ar noteiktām enerģijām, kuras viņš sauca par enerģijas čaumalas vai enerģijas līmeņi. Citiem vārdiem sakot, elektrona enerģija atoma iekšienē nav nepārtraukta, bet “kvantēta”. Šie līmeņi tādējādi tiek apzīmēti ar kvantu numuru n (n = 1, 2, 3 utt.), kuru, viņaprāt, varēja noteikt, izmantojot Ryberga formulu - likumu, ko 1888. gadā izstrādāja zviedru fiziķis Johanness Rybergs, lai aprakstītu daudzu ķīmisko elementu spektrālo līniju viļņu garumus.
Bohra modeļa ietekme:
Kaut arī Bora modelis dažos aspektos izrādījās revolucionārs - apvienojot Rīberga konstantu un Planka konstanti (pazīstams arī kā kvantu teorija) ar Rutherforda modeli -, tas cieta no dažiem trūkumiem, kurus vēlāk demonstrēs eksperimenti. Iesācējiem tika pieņemts, ka elektroniem ir gan zināms rādiuss, gan orbīta - kaut ko Verners Heizenbergs desmit gadu vēlāk atspēkos ar savu nenoteiktības principu.
Turklāt, kaut arī tas bija noderīgs, lai prognozētu elektronu uzvedību ūdeņraža atomos, Boha modelis nebija īpaši noderīgs, paredzot lielāku atomu spektrus. Šajos gadījumos, kad atomiem ir vairāki elektroni, enerģijas līmeņi neatbilda tam, ko paredzēja Bohrs. Modelis nedarbojās arī ar neitrāliem hēlija atomiem.
Bohra modelī nevarēja ņemt vērā arī Zeeman Effect - fenomenu, ko 1902. gadā atzīmēja holandiešu fiziķi Poters Zeemans, kur ārējās, statiskās magnētiskā lauka klātbūtnē spektrālās līnijas tiek sadalītas divās vai vairākās daļās. Sakarā ar to, izmantojot Boha atomu modeli, tika mēģināts veikt vairākus uzlabojumus, taču arī šie izrādījās problemātiski.
Galu galā tas novedīs pie tā, ka Boha modeli aizstās kvantu teorija - tas ir saskaņā ar Heizenberga un Ervina Šrodingera darbu. Neskatoties uz to, Bora modelis joprojām ir noderīgs kā mācību līdzeklis, lai iepazīstinātu studentus ar modernākām teorijām - piemēram, kvantu mehāniku un valences apvalka atomu modeli.
Tas arī izrādītos būtisks pavērsiens daļiņu fizikas standarta modeļa izstrādē, modelī, ko raksturo “elektronu mākoņi”, elementāras daļiņas un nenoteiktība.
Mēs šeit Space Magazine esam rakstījuši daudz interesantu rakstu par atomu teoriju. Šeit ir Džona Daltona atomu modelis, Kas ir Plūmju pūšanas modelis, Kas ir elektronu mākoņa modelis? Kas bija Democritus? Un kādas ir atoma daļas?
Astronomijas skatam ir arī dažas epizodes par šo tēmu: 138. epizode: kvantu mehānika, 139. epizode: enerģijas līmeņi un spektri, 378. epizode: Rutherfords un atomi un epizode 392: standarta modelis - ievads.
Avoti:
- Nīls Bors (Niels Bohr, 1913) “Par atomu un molekulu konstitūciju, I daļa”
- Nīls Bors (Niels Bohr, 1913) “Par atomu un molekulu konstitūciju, II daļas sistēmas, kas satur tikai vienu kodolu”
- Enciklopēdija Britannica: Borha atomu modelis
- Hiperfizika - Bohra modelis
- Tenesī universitāte, Knoksvilla - Borha modelis
- Toronto Universitāte - Boha atoma modelis
- NASA - Iedomājieties Visumu - Fons: Atomi un gaismas enerģija
- Par izglītību - Bohra atoma modelis
