Atomteorien har kommet langt de siste tusen årene. Fra begynnelsen av det 5. århundre f.Kr. med Democritus 'teori om udelelige “korpuskler” som samhandler hverandre, mekanisk for deretter å bevege seg over på Daltons atommodell på 1700-tallet, og deretter modnes i det 20. århundre med oppdagelsen av subatomære partikler og kvanteteori, oppdagelsesreisen har vært lang og svingete.
Det er antagelig at en av de viktigste milepælene underveis har vært Bohrs atommodell, som noen ganger blir referert til som Rutherford-Bohr atommodell. Denne modellen ble foreslått av den danske fysikeren Niels Bohr i 1913, og skildrer atomet som en liten, positivt ladet kjerne omgitt av elektroner som beveger seg i sirkulære baner (definert av deres energinivå) rundt sentrum.
Atomteorien til 1800-tallet:
De tidligste kjente eksemplene på atomteori kommer fra antikkens Hellas og India, der filosofer som Democritus postulerte at all materie var sammensatt av bittesmå, udelelige og uforgjengelige enheter. Begrepet “atom” ble myntet i antikkens Hellas og ga opphav til tankeskolen kjent som “atomisme”. Imidlertid var denne teorien mer et filosofisk begrep enn en vitenskapelig.
Det var først på 1800-tallet atomensteorien ble artikulert som en vitenskapelig sak, med de første evidensbaserte eksperimentene som ble utført. På begynnelsen av 1800-tallet brukte for eksempel den engelske forskeren John Dalton atombegrepet for å forklare hvorfor kjemiske elementer reagerte på visse observerbare og forutsigbare måter. Gjennom en serie eksperimenter med gasser, fortsatte Dalton med å utvikle det som er kjent som Daltons Atomic Theory.
Denne teorien utvidet lovene for samtale med masse og bestemte proporsjoner og kom ned til fem premisser: elementer, i deres reneste tilstand, består av partikler kalt atomer; atomene til et spesifikt element er alle de samme, helt til det siste atomet; atomer av forskjellige elementer kan fortelles fra hverandre med atomvektene; atomer av elementer forenes for å danne kjemiske forbindelser; atomer kan verken opprettes eller ødelegges i kjemisk reaksjon, bare grupperinga endres noensinne.
Oppdagelse av elektron:
På slutten av 1800-tallet begynte forskere også å teoretisere at atomet var sammensatt av mer enn en grunnleggende enhet. Imidlertid våget de fleste forskere at denne enheten ville være på størrelse med det minste kjente atomet - hydrogen. På slutten av 1800-tallet ville dette endre seg drastisk, takket være forskning utført av forskere som Sir Joseph John Thomson.
Gjennom en serie eksperimenter med katodestrålerør (kjent som Crookes 'Tube), observerte Thomson at katodestrålene kunne avbøyes av elektriske og magnetiske felt. Han konkluderte med at de snarere enn å være sammensatt av lys, besto av negativt ladede partikler som var 1 ganger ganger mindre og 1800 ganger lettere enn hydrogen.
Dette motbeviste effektivt forestillingen om at hydrogenatom var den minste materieenheten, og Thompson gikk videre for å antyde at atomer var delbare. For å forklare at den totale ladningen til atomet, som besto av både positive og negative ladninger, foreslo Thompson en modell der de negativt ladede "kroppene" ble fordelt i et ensartet hav med positiv ladning - kjent som Plum Pudding Model.
Disse likene vil senere bli kalt "elektroner", basert på den teoretiske partikkelen som var forutsagt av den anglo-irske fysikeren George Johnstone Stoney i 1874. Og fra dette ble Plum Pudding Model født, så navngitt fordi den lignet den engelske ørkenen som består av plommekake og rosiner. Konseptet ble introdusert for verden i mars 1904-utgaven av Storbritannia Filosofisk magasin, til stor anerkjennelse.
Rutherford-modellen:
Etterfølgende eksperimenter avslørte en rekke vitenskapelige problemer med Plum Pudding-modellen. For det første var det problemet med å demonstrere at atomet hadde en ensartet positiv bakgrunnsladning, som ble kjent som "Thomson-problemet". Fem år senere ble modellen motbevist av Hans Geiger og Ernest Marsden, som utførte en serie eksperimenter med alfapartikler og gullfolie - aka. "gullfolieeksperimentet."
I dette eksperimentet målte Geiger og Marsden spredningsmønsteret til alfapartiklene med en lysstoffrør. Hvis Thomsons modell var riktig, ville alfapartiklene passere gjennom atomstrukturen til folien uhindret. Imidlertid bemerket de i stedet at mens de fleste skjøt rett gjennom, var noen av dem spredt i forskjellige retninger, mens noen gikk tilbake i retning kilden.
Geiger og Marsden konkluderte med at partiklene hadde møtt en elektrostatisk kraft som var langt større enn den som tillates av Thomsons modell. Siden alfapartikler bare er heliumkjerner (som er positivt ladet), innebar dette at den positive ladningen i atomet ikke var vidt spredt, men konsentrert i et lite volum. I tillegg betydde det faktum at de partiklene som ikke ble avbøyet, passert gjennom uhindret at disse positive rommene ble adskilt av enorme tomter.
I 1911 tolket fysiker Ernest Rutherford Geiger-Marsden-eksperimentene og avviste Thomsons modell av atomet. I stedet foreslo han en modell der atomet besto av stort sett tomt rom, med all sin positive ladning konsentrert i sentrum i et veldig lite volum, som var omgitt av en sky av elektroner. Dette ble kjent som atomets Rutherford-modell.
Bohr-modellen:
Etterfølgende eksperimenter av Antonius Van den Broek og Niels Bohr foredlet modellen ytterligere. Mens Van den Broek antydet at atomnummeret til et element er veldig likt dets kjernefysiske ladning, foreslo sistnevnte en solsystem-lignende modell av atomet, der en kjerne inneholder atomnummeret av positiv ladning og er omgitt av en like antall elektroner i orbital-skjell (også kjent som Bohr-modellen).
I tillegg foredlet Bohrs modell visse elementer i Rutherford-modellen som var problematiske. Disse inkluderer problemene som oppsto fra klassisk mekanikk, som spådde at elektroner ville frigjøre elektromagnetisk stråling mens de gikk i bane rundt en kjerne. På grunn av tap av energi, skal elektronet raskt ha spiralet seg innover og kollapset i kjernen. Kort sagt innebar denne atommodellen at alle atomer var ustabile.
Modellen spådde også at når elektronene spiralet seg innover, ville utslippene raskt øke i frekvens etter hvert som bane ble mindre og raskere. Eksperimenter med elektriske utladninger på slutten av 1800-tallet viste imidlertid at atomer bare avgir elektromagnetisk energi ved bestemte diskrete frekvenser.
Bohr løste dette ved å foreslå at elektronene kretser rundt kjernen på måter som var i samsvar med Plancks kvanteteori om stråling. I denne modellen kan elektron bare okkupere visse tillatte orbitaler med en spesifikk energi. Videre kan de bare få og miste energi ved å hoppe fra en tillatt bane til en annen, absorbere eller avgi elektromagnetisk stråling i prosessen.
Disse banene ble assosiert med bestemte energier, som han omtalte som energiskall eller energinivåer. Med andre ord, energien til et elektron inne i et atom er ikke kontinuerlig, men "kvantifisert". Disse nivåene er dermed merket med kvantetallet n (n = 1, 2, 3 osv.) som han hevdet kunne bestemmes ved å bruke Ryberg-formelen - en regel formulert i 1888 av den svenske fysikeren Johannes Ryberg for å beskrive bølgelengdene til spektrallinjer for mange kjemiske elementer.
Påvirkning av Bohr-modellen:
Mens Bohrs modell viste seg å være banebrytende på noen måter - å slå sammen Rybergs konstante og Plancks konstante (alias kvanteteori) med Rutherford-modellen, led den av noen feil som senere eksperimenter ville illustrere. For det første antok det at elektronene har både en kjent radius og bane, noe Werner Heisenberg ville motbevise et tiår senere med sitt usikkerhetsprinsipp.
I tillegg, selv om det var nyttig for å forutsi atferden til elektroner i hydrogenatomer, var ikke Bohrs modell spesielt nyttig for å forutsi spektrene til større atomer. I disse tilfellene, der atomer har flere elektroner, var energinivået ikke i samsvar med det Bohr forutså. Modellen fungerte heller ikke med nøytrale heliumatomer.
Bohr-modellen kunne heller ikke redegjøre for Zeeman-effekten, et fenomen som ble notert av nederlandske fysikere Pieter Zeeman i 1902, der spektrallinjer er delt i to eller flere i nærvær av et eksternt, statisk magnetfelt. På grunn av dette ble flere forbedringer forsøkt med Bohrs atommodell, men også disse viste seg å være problematiske.
Til slutt ville dette føre til at Bohrs modell erstattes av kvanteteori - i samsvar med Heisenbergs og Erwin Schrodingers arbeid. Likevel forblir Bohrs modell nyttig som et instruksjonsverktøy for å introdusere studenter til mer moderne teorier - for eksempel kvantemekanikk og atommodellen valence shell.
Det skulle også vise seg å være en viktig milepæl i utviklingen av standardmodellen for partikkelfysikk, en modell preget av "elektronskyer", elementære partikler og usikkerhet.
Vi har skrevet mange interessante artikler om atomteori her på Space Magazine. Her er John Daltons atoomodell, hva er plommepuddingmodellen, hva er elektronisk skymodell?, Hvem var demokrat? Og hva er delene av atomet?
Astronomy Cast har også noen episoder om emnet: Episode 138: Quantum Mechanics, Episode 139: Energy Levels and Spectra, Episode 378: Rutherford and Atoms og Episode 392: The Standard Model - Intro.
kilder:
- Niels Bohr (1913) “On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I”
- Niels Bohr (1913) “Om grunnloven av atomer og molekyler, del II-systemer som inneholder bare en enkelt nukleus”
- Encyclopaedia Britannica: Borh Atomic Model
- Hyperfysikk - Bohr-modell
- University of Tennessee, Knoxville - The Borh Model
- University of Toronto - The Bohr Model of the Atom
- NASA - Imagine the Universe - Background: Atoms and Light Energy
- Om utdanning - Bohr Model of Atom
