De multă vreme, structura atomului a fost un subiect dezbătut în rândul fizicienilor, până când a apărut un model creat de omul de știință danez Niels Bohr. Nu a fost primul care a încercat să descrie mișcarea particulelor subatomice, dar dezvoltările sale au făcut posibilă crearea unei teorii consistente, cu capacitatea de a prezice locația unei particule elementare la un moment dat sau altul.
Cale vieții
Niels Bohr s-a născut la 7 octombrie 1885 la Copenhaga și a murit acolo la 18 noiembrie 1962. Este considerat unul dintre cei mai mari fizicieni și nu e de mirare: el a reușit să construiască un model consistent de atomi asemănătoare hidrogenului. Potrivit legendei, el a văzut într-un vis cum ceva asemănător planetelor se învârte în jurul unui anumit centru luminos rarefiat. Acest sistem s-a redus apoi drastic la dimensiunea microscopică.
De atunci, Bohr a căutat din greu o modalitate de a traduce visul în formule și tabele. Studiind cu atenție literatura modernă despre fizică, experimentând în laborator și gândind, el a reușit să-și atingăobiective. Nici măcar timiditatea congenitală nu l-a împiedicat să publice rezultatele: îi era jenă să vorbească în fața unui public numeros, a început să se încurce, iar publicul nu a înțeles nimic din explicațiile omului de știință.
Precursori
Înainte de Bohr, oamenii de știință au încercat să creeze un model al atomului bazat pe postulatele fizicii clasice. Cea mai reușită încercare i-a aparținut lui Ernest Rutherford. În urma a numeroase experimente, el a ajuns la concluzia despre existența unui nucleu atomic masiv, în jurul căruia electronii se mișcă pe orbite. Deoarece grafic un astfel de model era similar cu structura sistemului solar, numele celui planetar a fost întărit în spatele lui.
Dar avea un dezavantaj semnificativ: atomul corespunzător ecuațiilor Rutherford s-a dovedit a fi instabil. Mai devreme sau mai târziu, electronii, mișcându-se cu accelerație pe orbite în jurul nucleului, trebuiau să cadă pe nucleu, iar energia lor avea să fie cheltuită cu radiația electromagnetică. Pentru Bohr, modelul Rutherford a devenit punctul de plecare în construirea propriei teorii.
primul postulat al lui Bohr
Principala inovație a lui Bohr a fost respingerea utilizării fizicii clasice newtoniene în construirea teoriei atomului. După ce a studiat datele obținute în laborator, a ajuns la concluzia că o lege atât de importantă a electrodinamicii precum mișcarea uniform accelerată fără radiații ondulatorii nu funcționează în lumea particulelor elementare.
Rezultatul reflecțiilor sale a fost o lege care sună așa: un sistem atomic este stabil doar dacă se află într-unul dintre posibilele staționări.stări (cuantice), fiecare dintre ele corespunde unei anumite energii. Sensul acestei legi, denumită altfel postulatul stărilor cuantice, este acela de a recunoaște absența radiației electromagnetice atunci când un atom se află într-o astfel de stare. De asemenea, o consecință a primului postulat este recunoașterea prezenței nivelurilor de energie în atom.
Regulă de frecvență
Totuși, era evident că un atom nu poate fi întotdeauna în aceeași stare cuantică, deoarece stabilitatea neagă orice interacțiune, ceea ce înseamnă că nu ar exista nici Univers, nici mișcare în el. Aparenta contradicție a fost rezolvată de al doilea postulat al modelului de structură atomică al lui Bohr, cunoscut sub numele de regula frecvenței. Un atom este capabil să treacă de la o stare cuantică la alta cu o schimbare corespunzătoare a energiei, emițând sau absorbind un cuantic, a cărui energie este egală cu diferența dintre energiile stărilor staționare.
Al doilea postulat contrazice și electrodinamica clasică. Conform teoriei lui Maxwell, natura mișcării unui electron nu poate afecta frecvența radiației acestuia.
Spectru atomic
Modelul cuantic al lui Bohr a fost posibil prin studiul atent al spectrului atomului. Multă vreme, oamenii de știință au fost stânjeniți că în loc de regiunea de culoare continuă așteptată obținută prin studierea spectrelor corpurilor cerești, spectrograma atomului era discontinuă. Liniile de culoare strălucitoare nu se scurgeau unele în altele, ci erau separate de zone întunecate impresionante.
Teoria tranziției electronilor de la o stare cuantică la altul a explicat această ciudățenie. Când un electron s-a mutat de la un nivel de energie la altul, acolo unde i-a fost necesară mai puțină energie, a emis un cuantic, care a fost reflectat în spectrogramă. Teoria lui Bohr a demonstrat imediat capacitatea de a prezice modificări ulterioare în spectrele atomilor simpli precum hidrogenul.
Defecte
Teoria lui Bohr nu s-a rupt complet de fizica clasică. Ea a păstrat încă ideea mișcării orbitale a electronilor în câmpul electromagnetic al nucleului. Ideea cuantizării în timpul tranziției de la o stare staționară la alta a completat cu succes modelul planetar, dar totuși nu a rezolvat toate contradicțiile.
Deși în lumina modelului lui Bohr, electronul nu putea intra într-o mișcare în spirală și cădea în nucleu, radiind continuu energie, a rămas neclar de ce nu s-a putut ridica succesiv la niveluri de energie mai în alte. În acest caz, toți electronii ar ajunge mai devreme sau mai târziu în starea cea mai scăzută de energie, ceea ce ar duce la distrugerea atomului. O altă problemă au fost anomalii în spectrele atomice pe care teoria nu le-a explicat. În 1896, Peter Zeeman a efectuat un experiment curios. A plasat un gaz atomic într-un câmp magnetic și a făcut o spectrogramă. S-a dovedit că unele linii spectrale s-au împărțit în mai multe. Un astfel de efect nu a fost explicat în teoria lui Bohr.
Construirea unui model al atomului de hidrogen conform lui Bohr
În ciuda tuturor deficiențelor teoriei sale, Niels Bohr a reușit să construiască un model realist al atomului de hidrogen. În acest sens, el a folosit regula frecvenței și legile clasiculuimecanica. Calculele lui Bohr pentru a determina razele posibile ale orbitelor electronilor și pentru a calcula energia stărilor cuantice s-au dovedit a fi destul de precise și au fost confirmate experimental. Frecvențele de emisie și absorbție a undelor electromagnetice corespundeau locației golurilor întunecate pe spectrograme.
Astfel, folosind exemplul atomului de hidrogen, s-a dovedit că fiecare atom este un sistem cuantic cu niveluri de energie discrete. În plus, omul de știință a reușit să găsească o modalitate de a combina fizica clasică și postulatele sale folosind principiul corespondenței. Afirmă că mecanica cuantică include legile fizicii newtoniene. În anumite condiții (de exemplu, dacă numărul cuantic a fost suficient de mare), mecanica cuantică și cea clasică converg. Acest lucru a fost dovedit de faptul că, odată cu creșterea numărului cuantic, lungimea golurilor întunecate din spectru a scăzut până la dispariția completă, așa cum era de așteptat în lumina conceptelor newtoniene.
Semnificat
Introducerea principiului corespondenței a devenit un pas intermediar important spre recunoașterea existenței mecanicii cuantice speciale. Modelul atomului lui Bohr a devenit pentru mulți un punct de plecare în construirea unor teorii mai precise despre mișcarea particulelor subatomice. Niels Bohr nu a reușit să găsească o interpretare fizică exactă a regulii de cuantizare, dar nici nu a putut face acest lucru, deoarece proprietățile de undă ale particulelor elementare au fost descoperite doar în timp. Louis de Broglie, completând teoria lui Bohr cu noi descoperiri, a demonstrat că fiecare orbită, conformpe care electronul se deplasează este o undă care se propagă din nucleu. Din acest punct de vedere, starea staționară a atomului a început să fie considerată astfel încât să se formeze în cazul în care unda, făcând o revoluție completă în jurul nucleului, se repetă.
