Атомная теория прошла долгий путь за последние несколько тысяч лет. Начиная с 5-го века до н.э. с теорией Демокрита о неделимых «корпускулах», которые механически взаимодействуют друг с другом, затем переходят к атомной модели Дальтона в 18-м веке, а затем созревают в 20-м веке с открытием субатомных частиц и квантовой теории, путешествие открытий было долгим и извилистым.
Возможно, одной из самых важных вех на этом пути была атомная модель Бора, которую иногда называют атомной моделью Резерфорда-Бора. Предложенный датским физиком Нильсом Бором в 1913 году, эта модель изображает атом в виде небольшого положительно заряженного ядра, окруженного электронами, которые движутся по круговым орбитам (определяемым их энергетическими уровнями) вокруг центра.
Атомная теория в 19 веке:
Самые ранние известные примеры атомной теории пришли из древней Греции и Индии, где такие философы, как Демокрит, постулировали, что вся материя состоит из крошечных, неделимых и неразрушимых единиц. Термин «атом» был придуман в древней Греции и дал начало школе мысли, известной как «атомизм». Однако эта теория была скорее философской концепцией, чем научной.
Лишь в 19 веке теория атомов стала формулироваться как научный вопрос, когда проводились первые эксперименты, основанные на доказательствах. Например, в начале 1800-х годов английский ученый Джон Далтон использовал концепцию атома, чтобы объяснить, почему химические элементы реагировали определенными наблюдаемыми и предсказуемыми способами. Через серию экспериментов с газами Далтон продолжил разработку так называемой атомной теории Далтона.
Эта теория расширилась по законам массы и определенных пропорций и дошла до пяти предпосылок: элементы в чистом виде состоят из частиц, называемых атомами; атомы определенного элемента все одинаковы, вплоть до самого последнего атома; атомы разных элементов можно отличить по атомному весу; атомы элементов объединяются в химические соединения; атомы не могут быть ни созданы, ни разрушены в химической реакции, меняется только группировка.
Открытие Электрон:
К концу 19 века ученые также начали теоретизировать, что атом состоит из более чем одной фундаментальной единицы. Однако большинство ученых решалось, что эта единица будет размером с самый маленький из известных атомов - водород. К концу 19-го века это резко изменится благодаря исследованиям, проведенным такими учеными, как сэр Джозеф Джон Томсон.
В серии экспериментов с использованием электронно-лучевых трубок (известных как трубки Крукса) Томсон заметил, что катодные лучи могут отклоняться электрическим и магнитным полями. Он пришел к выводу, что они состоят не из света, а из отрицательно заряженных частиц, которые в 10 раз меньше и в 1800 раз легче водорода.
Это фактически опровергло представление о том, что атом водорода является наименьшей единицей материи, и Томпсон пошел дальше, предполагая, что атомы делимы. Чтобы объяснить общий заряд атома, который состоял как из положительных, так и отрицательных зарядов, Томпсон предложил модель, в соответствии с которой отрицательно заряженные «корпускулы» были распределены в однородном море положительного заряда - известного как модель сливового пудинга.
Эти корпускулы впоследствии будут называться «электронами», основываясь на теоретической частице, предсказанной англо-ирландским физиком Джорджем Джонстоуном Стони в 1874 году. И из этого родилась модель сливового пудинга, названная так потому, что она очень напоминала английскую пустыню, состоящую из сливовый пирог и изюм. Эта концепция была представлена миру в марте 1904 года в британском Философский журнал, для широкого признания.
Модель Резерфорда:
Последующие эксперименты выявили ряд научных проблем с моделью сливового пудинга. Для начала, была проблема демонстрации того, что атом обладал равномерным положительным фоновым зарядом, который стал известен как «проблема Томсона». Пять лет спустя модель будет опровергнута Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом, которые провели серию экспериментов с использованием альфа-частиц и золотой фольги. «эксперимент с золотой фольгой».
В этом эксперименте Гейгер и Марсден измерили диаграмму рассеяния альфа-частиц с помощью флуоресцентного экрана. Если бы модель Томсона была верна, альфа-частицы проходили бы сквозь атомную структуру фольги беспрепятственно. Однако вместо этого они отметили, что, хотя большинство выстрелили прямо, некоторые из них были разбросаны в разных направлениях, а некоторые возвращались в направлении источника.
Гейгер и Марсден пришли к выводу, что частицы столкнулись с электростатической силой, намного превышающей допустимую по модели Томсона. Поскольку альфа-частицы - это просто ядра гелия (которые заряжены положительно), это подразумевает, что положительный заряд в атоме не был широко рассеяным, а сосредоточен в крошечном объеме. Кроме того, тот факт, что те частицы, которые не отклонялись, проходили беспрепятственно, означало, что эти положительные пространства были разделены огромными пропастями пустого пространства.
К 1911 году физик Эрнест Резерфорд интерпретировал эксперименты Гейгера-Марсдена и отклонил модель атома, предложенную Томсоном. Вместо этого он предложил модель, в которой атом состоял в основном из пустого пространства со всем его положительным зарядом, сконцентрированным в его центре в очень крошечном объеме, окруженном облаком электронов. Это стало известно как модель атома Резерфорда.
Модель Бора:
Последующие эксперименты Антониуса Ван ден Брука и Нильса Бора усовершенствовали модель дальше. В то время как Ван ден Брук предположил, что атомный номер элемента очень похож на его ядерный заряд, последний предложил модель атома, подобную Солнечной системе, где ядро содержит атомный номер положительного заряда и окружено равным число электронов в орбитальных оболочках (он же модель Бора).
Кроме того, модель Бора уточнила некоторые элементы модели Резерфорда, которые были проблематичными. К ним относятся проблемы, вытекающие из классической механики, которая предсказала, что электроны будут выпускать электромагнитное излучение при вращении вокруг ядра. Из-за потери энергии электрон должен был быстро закручиваться внутрь и разрушаться в ядре. Короче говоря, эта модель атома подразумевала, что все атомы были нестабильны.
Модель также предсказывала, что при вращении электронов внутрь их излучение будет быстро увеличиваться по частоте, поскольку орбита становится меньше и быстрее. Однако эксперименты с электрическими разрядами в конце 19 века показали, что атомы излучают электромагнитную энергию только на определенных дискретных частотах.
Бор решил это, предложив электроны, вращающиеся вокруг ядра, в соответствии с квантовой теорией излучения Планка. В этой модели электроны могут занимать только определенные разрешенные орбитали с определенной энергией. Кроме того, они могут только получать и терять энергию, перепрыгивая с одной разрешенной орбиты на другую, поглощая или испуская электромагнитное излучение в процессе.
Эти орбиты были связаны с определенными энергиями, которые он называл энергетические оболочки или энергетические уровни, Другими словами, энергия электрона внутри атома не непрерывна, а «квантована». Эти уровни, таким образом, помечены квантовым числом N (n = 1, 2, 3 и т. д.), который, как он утверждал, может быть определен с использованием формулы Рыберга - правила, сформулированного в 1888 году шведским физиком Йоханнесом Райбергом для описания длин волн спектральных линий многих химических элементов.
Влияние модели Бора:
Хотя модель Бора и в некоторых отношениях оказалась новаторской - объединяя постоянную Рыберга и постоянную Планка (иначе говоря, квантовую теорию) с моделью Резерфорда, - она страдала некоторыми недостатками, которые продемонстрировали более поздние эксперименты. Начнем с того, что предполагалось, что электроны имеют известный радиус и орбиту, что Вернер Гейзенберг опроверг бы спустя десятилетие своим принципом неопределенности.
Кроме того, хотя это было полезно для предсказания поведения электронов в атомах водорода, модель Бора не была особенно полезна для предсказания спектров более крупных атомов. В этих случаях, когда атомы имеют несколько электронов, уровни энергии не соответствовали тому, что предсказал Бор. Модель также не работала с нейтральными атомами гелия.
Модель Бора также не может объяснить эффект Зеемана, явление, отмеченное голландскими физиками Питером Зееманом в 1902 году, когда спектральные линии разделяются на две или более в присутствии внешнего статического магнитного поля. Из-за этого было предпринято несколько усовершенствований с атомной моделью Бора, но они тоже оказались проблематичными.
В конце концов, это приведет к тому, что модель Бора будет заменена квантовой теорией, что согласуется с работами Гейзенберга и Эрвина Шредингера. Тем не менее модель Бора остается полезной в качестве учебного пособия для ознакомления студентов с более современными теориями, такими как квантовая механика и модель атома в валентной оболочке.
Это также оказалось бы важной вехой в развитии Стандартной модели физики элементарных частиц, модели, характеризуемой «электронными облаками», элементарными частицами и неопределенностью.
Мы написали много интересных статей об атомной теории здесь, в журнале Space. Вот атомная модель Джона Далтона, что такое модель сливового пудинга, что такое модель электронного облака? Кто был Демокрит? И какие части атома?
В Astronomy Cast также есть несколько эпизодов на эту тему: Эпизод 138: Квантовая механика, Эпизод 139: Уровни и спектры энергии, Эпизод 378: Резерфорд и Атомы и Эпизод 392: Стандартная модель - Вступление.
Источники:
- Нильс Бор (1913) «О Конституции атомов и молекул, часть I»
- Нильс Бор (1913) «О строении атомов и молекул, часть II. Системы, содержащие только одно ядро»
- Энциклопедия Британика: модель атома Борх
- Гиперфизика - модель Бора
- Университет Теннесси, Ноксвилл - Модель Борха
- Университет Торонто - модель атома Бора
- НАСА - Представь себе Вселенную - Фон: атомы и световая энергия
- Об образовании - Боровская модель атома
