Länge var atomens struktur ett diskutabelt ämne bland fysiker, tills en modell skapad av den danske vetenskapsmannen Niels Bohr dök upp. Han var inte den första som försökte beskriva subatomära partiklars rörelse, men det var hans utveckling som gjorde det möjligt att skapa en konsekvent teori med förmågan att förutsäga en elementarpartikels placering vid ett eller annat tillfälle.
Livsväg
Niels Bohr föddes den 7 oktober 1885 i Köpenhamn och dog där den 18 november 1962. Han anses vara en av de största fysikerna, och inte konstigt: det var han som lyckades bygga en konsekvent modell av väteliknande atomer. Enligt legenden såg han i en dröm hur något liknande planeter kretsade runt ett visst lysande försålt centrum. Detta system krympte sedan drastiskt till mikroskopisk storlek.
Sedan dess har Bohr letat hårt efter ett sätt att översätta drömmen till formler och tabeller. Genom att noggrant studera den moderna litteraturen om fysik, experimentera i laboratoriet och tänka, kunde han uppnå sinmål. Inte ens medfödd blyghet hindrade honom från att publicera resultaten: han skämdes över att tala inför en stor publik, han började bli förvirrad och publiken förstod ingenting av vetenskapsmannens förklaringar.
Prekursorer
Innan Bohr försökte forskare skapa en modell av atomen baserad på den klassiska fysikens postulat. Det mest framgångsrika försöket tillhörde Ernest Rutherford. Som ett resultat av många experiment kom han till slutsatsen om förekomsten av en massiv atomkärna, runt vilken elektroner rör sig i banor. Eftersom en sådan modell grafiskt liknade solsystemets struktur, stärktes namnet på den planetariska bakom den.
Men det hade en betydande nackdel: atomen som motsvarar Rutherfords ekvationer visade sig vara instabil. Förr eller senare var elektronerna, som rörde sig med acceleration i banor runt kärnan, tvungna att falla på kärnan, och deras energi skulle spenderas på elektromagnetisk strålning. För Bohr blev Rutherford-modellen startpunkten för att bygga sin egen teori.
Bohrs första postulat
Bohrs främsta innovation var förkastandet av användningen av klassisk newtonsk fysik i konstruktionen av teorin om atomen. Efter att ha studerat data som erhållits i laboratoriet kom han till slutsatsen att en så viktig elektrodynamisk lag som likformigt accelererad rörelse utan vågstrålning inte fungerar i elementarpartiklarnas värld.
Resultatet av hans reflektioner var en lag som låter så här: ett atomsystem är stabilt endast om det är i en av de möjliga stationära(kvant)tillstånd, som var och en motsvarar en viss energi. Innebörden av denna lag, annars kallad postulatet av kvanttillstånd, är att erkänna frånvaron av elektromagnetisk strålning när en atom är i ett sådant tillstånd. En konsekvens av det första postulatet är också erkännandet av närvaron av energinivåer i atomen.
Frekvensregel
Det var dock uppenbart att en atom inte alltid kan vara i samma kvanttillstånd, eftersom stabilitet förnekar all interaktion, vilket betyder att det varken skulle finnas universum eller rörelse i det. Den uppenbara motsägelsen löstes av det andra postulatet i Bohrs atomstrukturmodell, känd som frekvensregeln. En atom kan röra sig från ett kvanttillstånd till ett annat med en motsvarande energiförändring, och avger eller absorberar ett kvantum, vars energi är lika med skillnaden mellan energierna i de stationära tillstånden.
Det andra postulatet motsäger också klassisk elektrodynamik. Enligt Maxwells teori kan inte arten av en elektrons rörelse påverka frekvensen av dess strålning.
Atomspektrum
Bohrs kvantmodell möjliggjordes genom noggranna studier av atomens spektrum. Under lång tid skämdes forskare över att istället för den förväntade kontinuerliga färgregionen som erhölls genom att studera himlakropparnas spektra, var atomens spektrogram diskontinuerligt. Linjer med ljusa färger flödade inte in i varandra, utan var åtskilda av imponerande mörka områden.
Teori om elektronövergång från ett kvanttillstånd tillen annan förklarade denna konstighet. När en elektron flyttade från en energinivå till en annan, där det krävdes mindre energi av den, avgav den ett kvantum, som reflekterades i spektrogrammet. Bohrs teori visade omedelbart förmågan att förutsäga ytterligare förändringar i spektra av enkla atomer som väte.
Flaws
Bohrs teori bröt inte helt med klassisk fysik. Hon behöll fortfarande idén om elektronernas omloppsrörelse i kärnans elektromagnetiska fält. Idén om kvantisering under övergången från ett stationärt tillstånd till ett annat kompletterade framgångsrikt planetmodellen, men löste ändå inte alla motsägelser.
Även om elektronen i ljuset av Bohrs modell inte kunde gå in i en spiralrörelse och falla in i kärnan och kontinuerligt utstråla energi, förblev det oklart varför den inte successivt kunde stiga till högre energinivåer. I det här fallet skulle alla elektroner förr eller senare hamna i det lägsta energitillståndet, vilket skulle leda till att atomen förstörs. Ett annat problem var anomalier i atomspektra som teorin inte förklarade. Redan 1896 genomförde Peter Zeeman ett märkligt experiment. Han placerade en atomgas i ett magnetfält och tog ett spektrogram. Det visade sig att vissa spektrallinjer splittrades i flera. En sådan effekt förklarades inte i Bohrs teori.
Bygga en modell av väteatomen enligt Bohr
Trots alla brister i sin teori kunde Niels Bohr bygga en realistisk modell av väteatomen. Därvid använde han frekvensregeln och det klassiska lagarnamekanik. Bohrs beräkningar för att bestämma de möjliga radierna för elektronbanor och beräkna energin för kvanttillstånd visade sig vara ganska exakta och bekräftades experimentellt. Frekvenserna för emission och absorption av elektromagnetiska vågor motsvarade platsen för mörka luckor på spektrogrammen.
Med hjälp av exemplet med väteatomen bevisades det alltså att varje atom är ett kvantsystem med diskreta energinivåer. Dessutom kunde vetenskapsmannen hitta ett sätt att kombinera klassisk fysik och hans postulat med hjälp av korrespondensprincipen. Den säger att kvantmekaniken inkluderar lagarna i den newtonska fysiken. Under vissa förhållanden (till exempel om kvanttalet var tillräckligt stort) konvergerar kvantmekaniken och den klassiska mekaniken. Detta bevisades av det faktum att med en ökning av kvantnumret minskade längden på mörka luckor i spektrumet tills helt försvinner, som förväntat i ljuset av Newtonska begrepp.
Meaning
Införandet av korrespondensprincipen har blivit ett viktigt mellansteg mot erkännandet av existensen av speciell kvantmekanik. Bohrs modell av atomen har för många blivit en utgångspunkt för att konstruera mer exakta teorier om subatomära partiklars rörelse. Niels Bohr kunde inte hitta en exakt fysikalisk tolkning av kvantiseringsregeln, men han kunde inte göra detta heller, eftersom elementarpartiklarnas vågegenskaper upptäcktes först över tiden. Louis de Broglie, som kompletterade Bohrs teori med nya upptäckter, bevisade att varje bana, enl.som elektronen flyttar är en våg som utbreder sig från kärnan. Ur denna synvinkel började atomens stationära tillstånd betraktas så att det bildas i det fall då vågen, efter att ha gjort ett fullständigt varv runt kärnan, upprepas.