Atomová teorie prošla v posledních několika tisících letech dlouhou cestou. Počínaje 5. stoletím BCE Demokritovou teorií nedělitelných „těl“, které spolu mechanicky interagují, poté se v 18. století pohybují na Daltonově atomovém modelu a poté ve 20. století objevením subatomových částic a kvantové teorie, cesta objevování byla dlouhá a klikatá.
Pravděpodobně jedním z nejdůležitějších milníků na cestě byl atomový model Bohr, který se někdy označuje jako atomový model Rutherford-Bohr. Tento model, který navrhl dánský fyzik Niels Bohr v roce 1913, zobrazuje atom jako malé, pozitivně nabité jádro obklopené elektrony, které se pohybují po kruhových drahách (definovaných svými energetickými hladinami) kolem středu.
Atomová teorie do 19. století:
Nejdříve známé příklady atomové teorie pocházejí ze starověkého Řecka a Indie, kde filozofové jako Demokritus předpokládali, že veškerá hmota byla složena z malých, nedělitelných a nezničitelných jednotek. Pojem „atom“ byl vytvořen ve starověkém Řecku a dal vznik škole myšlenek známé jako „atomismus“. Tato teorie však byla spíše filozofickým konceptem než vědeckým.
Teorie atomů se stala až vědeckou záležitostí až v 19. století, kdy byly provedeny první experimenty založené na důkazech. Například na začátku osmdesátých let použil anglický vědec John Dalton koncept atomu k vysvětlení toho, proč chemické prvky reagovaly určitými pozorovatelnými a předvídatelnými způsoby. Prostřednictvím série experimentů s plyny Dalton pokračoval ve vývoji toho, co je známé jako Daltonova atomová teorie.
Tato teorie se rozšířila o zákonech konverzace hmoty a určitých proporcí a sestoupila do pěti prostor: prvky, v jejich nejčistším stavu, sestávají z částic nazývaných atomy; atomy specifického prvku jsou všechny stejné, až po poslední atom; atomy různých prvků lze rozeznat podle jejich atomových hmotností; atomy prvků se spojí a vytvoří chemické sloučeniny; atomy nemohou být vytvořeny ani zničeny chemickou reakcí, pouze seskupení se někdy mění.
Objev elektronů:
Koncem 19. století vědci také začali teoretizovat, že atom je tvořen více než jednou základní jednotkou. Většina vědců se však odvážila, že tato jednotka bude mít velikost nejmenšího známého atomu - vodíku. Na konci 19. století se to drasticky změnilo díky výzkumu prováděnému vědci, jako je Sir Joseph John Thomson.
Prostřednictvím série experimentů používajících katodové trubice (známé jako Crookesova trubice) Thomson pozoroval, že katodové paprsky mohou být vychylovány elektrickými a magnetickými poli. Došel k závěru, že místo toho, aby byly složeny ze světla, byly tvořeny negativně nabitými částicemi, které byly 1ooo krát menší a 1800krát lehčí než vodík.
Toto účinně vyvrátilo představu, že atom vodíku byl nejmenší jednotka hmoty, a Thompson šel dále navrhnout, že atomy byly dělitelné. Abychom vysvětlili celkový náboj atomu, který sestával z kladných i záporných nábojů, navrhl Thompson model, ve kterém byly záporně nabité „tělíska“ distribuovány do stejnoměrného moře pozitivního náboje - známého jako model slivového pudinku.
Tyto komplexy by později byly pojmenovány „elektrony“, založené na teoretické částici předpovídané anglo-irským fyzikem George Johnstoneem Stoneyem v roce 1874. Z toho se zrodil model slivového pudinku, který byl pojmenován, protože úzce připomínal anglickou poušť, která se skládá z švestkový koláč a rozinky. Koncept byl představen světu v březnu 1904 vydání Spojeného království Filozofický časopis, k širokému uznání.
Model Rutherford:
Následující experimenty odhalily řadu vědeckých problémů s modelem švestkového pudinku. Pro začátek byl problém prokázat, že atom měl jednotný pozitivní náboj na pozadí, který se stal známým jako „Thomsonův problém“. O pět let později by tento model vyvrátili Hans Geiger a Ernest Marsden, kteří provedli řadu experimentů s použitím alfa částic a zlaté fólie - aka. „experiment se zlatou fólií“.
V tomto experimentu Geiger a Marsden měřili rozptyl alfa částic pomocí fluorescenční obrazovky. Pokud by Thomsonův model byl správný, alfa částice by procházely atomovou strukturou fólie bez omezení. Namísto toho však poznamenali, že zatímco většina z nich byla přímá, některé byly rozptýleny různými směry, jiné se vracely ve směru zdroje.
Geiger a Marsden dospěli k závěru, že částice narazily na elektrostatickou sílu mnohem větší, než je síla, kterou umožňuje Thomsonův model. Protože alfa částice jsou jen jádra helia (která jsou kladně nabitá), znamenalo to, že kladný náboj v atomu nebyl široce rozptýlen, ale koncentrován v malém objemu. Navíc skutečnost, že ty částice, které nebyly odkloněny, prošly bez omezení, znamenalo, že tyto pozitivní prostory byly odděleny obrovskými zálivy prázdného prostoru.
1911, fyzik Ernest Rutherford interpretoval Geiger-Marsden experimenty a odmítl Thomsonův model atomu. Místo toho navrhl model, ve kterém atom sestával z převážně prázdného prostoru, se veškerým kladným nábojem soustředěným ve svém středu ve velmi malém objemu, který byl obklopen oblakem elektronů. To se stalo známým jako Rutherfordův model atomu.
Bohrův model:
Následné experimenty Antonia Van den Broeka a Nielse Bohra model dále vylepšily. Zatímco Van den Broek navrhoval, že atomové číslo prvku je velmi podobné jeho jadernému náboji, druhý navrhl model atomu podobný slunečnímu systému, kde jádro obsahuje atomové číslo kladného náboje a je obklopeno stejným počet elektronů v orbitálních nábojích (tzv. Bohrův model).
Bohrův model navíc vylepšil některé prvky Rutherfordova modelu, které byly problematické. Patřily sem problémy vyplývající z klasické mechaniky, která předpovídala, že elektrony budou uvolňovat elektromagnetické záření při oběžné dráze jádra. Kvůli ztrátě energie by měl elektron rychle spirálovat dovnitř a zhroutit se do jádra. Stručně řečeno, tento atomový model znamenal, že všechny atomy byly nestabilní.
Model také předpovídal, že jak elektrony spirálovaly dovnitř, jejich emise by rychle rostla ve frekvenci s tím, jak se orbita zmenšila a zrychlila. Pokusy s elektrickými výboji na konci 19. století však ukázaly, že atomy emitují elektromagnetickou energii pouze při určitých diskrétních frekvencích.
Bohr to vyřešil tím, že navrhl, aby elektrony obíhaly jádro způsobem, který byl v souladu s Planckovou kvantovou teorií záření. V tomto modelu mohou elektrony zabírat pouze určité povolené orbitaly se specifickou energií. Dále mohou získávat a ztrácet energii pouze skokem z jedné povolené oběžné dráhy na druhou, absorbováním nebo emitováním elektromagnetického záření v procesu.
Tyto orbity byly spojeny s určitými energiemi, které nazýval energetické pláště nebo energetické hladiny. Jinými slovy, energie elektronu uvnitř atomu není spojitá, ale „kvantovaná“. Tyto úrovně jsou tedy označeny kvantovým číslem n (n = 1, 2, 3 atd.), o kterém tvrdil, že bylo možné určit pomocí Rybergova vzorce - pravidlo formulované v roce 1888 švédským fyzikem Johannesem Rybergem k popisu vlnových délek spektrálních čar mnoha chemických prvků.
Vliv Bohrova modelu:
Zatímco Bohrův model se v některých ohledech ukázal jako průkopnický - spojující Rybergovu konstantu a Planckovu konstantu (aka. Kvantovou teorii) s Rutherfordovým modelem - trpěl některými nedostatky, které by později experimenty ilustrovaly. Pro začátek se předpokládalo, že elektrony mají známý poloměr i oběžnou dráhu, což Werner Heisenberg vyvrátí o deset let později svým principem nejistoty.
Navíc, zatímco to bylo užitečné pro předpovídání chování elektronů v atomech vodíku, Bohrův model nebyl příliš užitečný při predikci spektra větších atomů. V těchto případech, kdy atomy mají více elektronů, nebyly energetické hladiny v souladu s tím, co předpověděl Bohr. Model také nepracoval s neutrálními atomy helia.
Bohrův model také nemohl odpovídat za Zeemanův efekt, jev, který zaznamenali nizozemští fyzici Pieter Zeeman v roce 1902, kde jsou spektrální čáry rozděleny na dvě nebo více v přítomnosti vnějšího statického magnetického pole. Z tohoto důvodu došlo k pokusům o několik zdokonalení s Bohrovým atomovým modelem, ale i ty se ukázaly jako problematické.
Nakonec by to vedlo k tomu, že by Bohrův model byl nahrazen kvantovou teorií - v souladu s prací Heisenberga a Erwina Schrodingera. Bohrův model však zůstává užitečným jako instruktážní nástroj pro seznámení studentů s modernějšími teoriemi - jako je kvantová mechanika a atomový model valenčního shellu.
Ukázalo by se také, že je významným mezníkem ve vývoji standardního modelu fyziky částic, modelu charakterizovaného „elektronovými mračny“, elementárními částicemi a nejistotou.
Zde jsme v Space Magazine napsali mnoho zajímavých článků o atomové teorii. Tady je atomový model Johna Daltona, co je to model slivového pudinku, jaký je model elektronového cloudu?, Kdo byl Democritus? A jaké jsou části atomu?
Astronomie Cast má také několik epizod na toto téma: Epizoda 138: Kvantová mechanika, Epizoda 139: Energetické úrovně a spektrum, Epizoda 378: Rutherford a atomy a Epizoda 392: Standardní model - úvod.
Zdroje:
- Niels Bohr (1913) „O ústavě atomů a molekul, část I“
- Niels Bohr (1913) „O ústavě atomů a molekul, část II systémů obsahujících pouze jeden jader“
- Encyklopedie Britannica: Borh Atomic Model
- Hyperphysics - Bohr Model
- University of Tennessee, Knoxville - The Borh Model
- University of Toronto - Bohrův model atomu
- NASA - Představte si vesmír - Pozadí: Atomy a světelná energie
- O vzdělávání - Bohrův model atomu
