Атомска теорија прешла је дуг пут током последњих неколико хиљада година. Почевши у 5. веку пре нове ере са Демокритовом теоријом о недељивим „лешевима“ који механички делују једни са другима, затим прелазе на Далтонов атомски модел у 18. веку, а затим сазревају у 20. веку открићем субатомских честица и квантне теорије, путовање открића је дуго и вијугаво.
Једва најважнија прекретница на овом путу био је Боров атомски модел, који се понекад назива и атомски модел Рутхерфорд-Бохр. Предложен од стране данског физичара Ниелса Бохра 1913. године, овај модел приказује атом као мало позитивно наелектрисано језгро окружено електроном који путује у кружним орбитама (дефинисано њиховим енергетским нивоима) око центра.
Атомска теорија 19. века:
Најранији познати примери атомске теорије потичу из древне Грчке и Индије, где су филозофи попут Демокрита постулирали да је сва материја састављена од сићушних, недељивих и неуништива. Израз "атом" скован је у древној Грчкој и покренуо је школу мисли која је позната као "атомизам". Међутим, ова теорија је била више филозофски концепт него научни.
Тек у 19. веку се теорија атома артикулирала као научна материја, спроведен је први експеримент на основу доказа. На пример, у раним 1800-има, енглески научник Јохн Далтон користио је концепт атома да објасни зашто су хемијски елементи реаговали на одређене видљиве и предвидљиве начине. Кроз низ експеримената са гасовима, Далтон је развио оно што је познато као Далтонова атомска теорија.
Та се теорија проширила на законима разговора маса и одређених пропорција и своди се на пет премиса: елементи се, у свом најчишћем стању, састоје од честица које се називају атоми; атоми одређеног елемента су сви исти, све до последњег атома; атоми различитих елемената могу се разликовати по атомској маси; атоми елемената уједињују се у хемијска једињења; атоми се не могу створити или уништити у хемијској реакцији, само се групирање увек мења.
Откривање електрона:
До краја 19. века, научници су такође почели да теоретишу да је атом сачињен од више основних јединица. Међутим, већина научника се усудила да та јединица буде величине најмањег познатог атома - водоника. До краја 19. века то ће се драстично променити захваљујући истраживањима научника попут сер Џозефа Џона Томсона.
Кроз низ експеримената помоћу катодних цеви (познатих као Црооксова цев), Тхомсон је приметио да катодне зраке могу да се одбију електричним и магнетним пољем. Закључио је да су, уместо да буду сачињене од светлости, састављене од негативно наелектрисаних честица које су 1ооо мање и 1800 пута лакше од водоника.
Ово је ефикасно оповргло идеју да је атом водоника најмања јединица материје, а Тхомпсон је наставио да сугерира да су атоми дељиви. Да би објаснио укупни набој атома, који се састојао од позитивних и негативних наелектрисања, Тхомпсон је предложио модел по коме су негативно наелектрисани "лешеви" распоређени у јединственом мору позитивног набоја - познатом као модел пудинга од шљиве.
Ти би се труплаци касније именовали "електрони", на основу теоријске честице коју је 1874. предвидио англо-ирски физичар Георге Јохнстоне Стонеи. И из тога се родио Пудинг Плуминг модел, назван тако што је подсећао на енглеску пустињу која се састоји од торта од шљиве и грожђице. Концепт је представљен свету у марту 1904. Издању Велике Британије Филозофски магазин, широко одобравати.
Модел Рутхерфорд:
Накнадни експерименти открили су бројне научне проблеме са моделом пудинга од шљиве. За почетак је постојао проблем доказивања да атом поседује једнообразан позитивни набој који је постао познат под називом „Тхомсон проблем“. Пет година касније, модел ће оповргнути Ханс Геигер и Ернест Марсден, који су спровели низ експеримената користећи алфа честице и златну фолију - ака. експеримент „златне фолије“.
У овом експерименту, Геигер и Марсден су мерили схему распршивања алфа честица флуоресцентним екраном. Да је Тхомсон-ов модел тачан, алфа честице би несметано пролазиле кроз атомску структуру фолије. Међутим, напоменули су да су многи док су пуцали право кроз њих неки били разбацани у разним смеровима, а неки опет у правцу извора.
Геигер и Марсден су закључили да су честице наишле на електростатичку силу далеко већу од оне коју допушта Тхомсон-ов модел. Пошто су алфа честице само језгра хелија (која су позитивно набијена), то је подразумевало да позитивни набој у атому није широко диспергован, већ концентрисан у малом волумену. Поред тога, чињеница да су оне честице које нису биле одбачене пролазиле несметано значило је да су ови позитивни простори били раздвојени огромним прорезима празног простора.
До 1911. физичар Ернест Рутхерфорд тумачио је Геигер-Марсденове експерименте и одбацио Тхомсон-ов модел атома. Уместо тога, предложио је модел где се атом састојао од углавном празног простора, са свим својим позитивним наелектрисањем концентрисаним у његовом центру у врло малом волумену, који је био окружен облаком електрона. Ово је постало познато као Рутхерфорд Модел атома.
Бохр модел:
Накнадни експерименти Антонија Ван ден Броека и Ниелса Бохра још су побољшали модел. Док је Ван ден Броек сугерисао да је атомски број елемента веома сличан његовом нуклеарном набоју, последњи је предложио модел атома из Сунчевог система, где језгро садржи атомски број позитивног набоја и окружен је једнаким број електрона у орбиталним љуштурама (ака Боров модел).
Поред тога, Боров је модел рафинирао одређене елементе Рутхерфордовог модела који су били проблематични. Они укључују проблеме настале из класичне механике, која је предвиђала да ће електрони ослобађати електромагнетно зрачење током орбита око језгра. Због губитка енергије, електрон је требало да се брзо умота у унутрашњост и сруши у језгро. Укратко, овај атомски модел подразумевао је да су сви атоми нестабилни.
Модел је такође предвидио да ће се, како електрони спиралирају према унутра, њихова емисија брзо повећавати у фреквенцији како је орбита постајала мања и бржа. Међутим, експерименти са електричним пражњењем крајем 19. века показали су да атоми само емитују електромагнетну енергију на одређеним дискретним фреквенцијама.
Бохр је то решио тако што је предложио да електрони круже око језгра на начине који су у складу са Планцковом квантном теоријом зрачења. У овом моделу, електрони могу да заузму само одређене дозвољене орбитале са одређеном енергијом. Надаље, могу добити и изгубити енергију само скакањем с једне дозвољене орбите на другу, апсорбирају или емитују електромагнетско зрачење у том процесу.
Ове орбите биле су повезане са одређеним енергијама, које је он назвао енергетске шкољке или енергетски нивои. Другим речима, енергија електрона унутар атома није непрекидна, већ је „квантизована“. Ови нивои су на тај начин означени квантним бројем н (н = 1, 2, 3 итд.) за које тврди да би се могао одредити Риберговом формулом - правилом које је 1888. формулисао шведски физичар Јоханнес Риберг да опише таласне дужине спектралних линија многих хемијских елемената.
Утицај Борова модела:
Иако се Бохров модел у неким аспектима показао револуционарним - спајајући Рибергову константу и Планцкову константу (ака. Квантна теорија) са Рутхерфордовим моделом - патио је због неких пропуста које ће касније експерименти илустровати. За почетак, претпостављало се да електрони имају и познати радијус и орбиту, нешто што би Вернер Хеисенберг демантовао деценију касније својим принципом несигурности.
Поред тога, иако је био користан за предвиђање понашања електрона у атомима водоника, Боров модел није био посебно користан у предвиђању спектра већих атома. У тим случајевима, када атоми имају више електрона, нивои енергије нису били у складу са оним што је Бохр предвидио. Модел такође није радио са неутралним атомима хелијума.
Боров модел такође није могао објаснити Зееман ефекат, феномен који су приметили холандски физичари Пиетер Зееман 1902. године, где су спектралне линије подељене на две или више у присуству спољног, статичког магнетног поља. Због тога је са Боровим атомским моделом покушало неколико прецизирања, али и то се показало проблематичним.
На крају би то довело до тога да Боров модел буде замењен квантном теоријом - што је у складу с радом Хеисенберга и Ервина Сцхродингера. Ипак, Боров модел остаје користан као инструктивно средство за упознавање студената са модернијим теоријама - попут квантне механике и атомског модела валентне љуске.
Такође би се показало да представља велику прекретницу у развоју Стандардног модела физике честица, модела који карактеришу „облаци електрона“, елементарне честице и несигурност.
Овде смо писали много занимљивих чланака о атомској теорији у часопису Спаце Магазине. Ево Атомског модела Јохна Далтона, шта је модел пудинга од шљиве, шта је модел електронског облака? Тко је био Демокрит и који су делови атома?
Астрономи Цаст такође има неке епизоде на тему: Епизода 138: Квантна механика, Епизода 139: Нивои енергије и спектра, Епизода 378: Рутхерфорд и Атоми и Епизода 392: Стандардни модел - Интро.
Извори:
- Ниелс Бохр (1913) "О уставу атома и молекула, И део"
- Ниелс Бохр (1913) „О уставу атома и молекула, ИИ део система који садрже само један нуклеус“
- Енцицлопаедиа Британница: Борх Атомиц Модел
- Хиперфизика - Боров модел
- Универзитет у Тенесију, Кноквилле - Тхе Борх Модел
- Универзитет у Торонту - Боров модел атома
- НАСА - Замислите универзум - Позадина: Атоми и светлосна енергија
- О образовању - Бохр Модел Атома
