Dolgo časa je bila struktura atoma sporna tema med fiziki, dokler se ni pojavil model, ki ga je ustvaril danski znanstvenik Niels Bohr. Ni bil prvi, ki je poskušal opisati gibanje subatomskih delcev, vendar je prav njegov razvoj omogočil ustvarjanje dosledne teorije z zmožnostjo napovedovanja lokacije elementarnega delca ob enem ali drugem trenutku.
Življenjska pot
Niels Bohr se je rodil 7. oktobra 1885 v Kopenhagnu in tam umrl 18. novembra 1962. Velja za enega največjih fizikov in ni čudno: prav njemu je uspelo zgraditi konsistenten model vodiku podobnih atomov. Po legendi je v sanjah videl, kako se nekaj podobnega planetom vrti okoli določenega svetlečega redkega središča. Ta sistem se je nato drastično skrčil na mikroskopsko velikost.
Od takrat Bohr trdo išče način, kako prevesti sanje v formule in tabele. S skrbnim preučevanjem sodobne literature o fiziki, eksperimentiranjem v laboratoriju in razmišljanjem je lahko dosegel svojecilji. Tudi prirojena sramežljivost mu ni preprečila objave rezultatov: bilo mu je nerodno govoriti pred množico, začel se je zmedeti in občinstvo iz razlag znanstvenika ni razumelo ničesar.
Prekurzorji
Pred Bohrom so znanstveniki poskušali ustvariti model atoma na podlagi postulatov klasične fizike. Najuspešnejši poskus je pripadel Ernestu Rutherfordu. Kot rezultat številnih poskusov je prišel do zaključka o obstoju masivnega atomskega jedra, okoli katerega se po orbitah gibljejo elektroni. Ker je bil takšen model grafično podoben zgradbi sončnega sistema, se je za njim okrepilo ime planetarnega.
Vendar je imel pomembno pomanjkljivost: atom, ki ustreza Rutherfordovim enačbam, se je izkazal za nestabilnega. Prej ali slej so morali elektroni, ki se pospešeno gibljejo po orbitah okoli jedra, pasti na jedro in njihova energija bi bila porabljena za elektromagnetno sevanje. Za Bohra je Rutherfordov model postal izhodišče pri gradnji lastne teorije.
Bohrov prvi postulat
Bohrova glavna inovacija je bila zavrnitev uporabe klasične Newtonove fizike pri gradnji teorije atoma. Ko je preučil podatke, pridobljene v laboratoriju, je prišel do zaključka, da tako pomemben zakon elektrodinamike, kot je enakomerno pospešeno gibanje brez valovnega sevanja, ne deluje v svetu elementarnih delcev.
Rezultat njegovih razmišljanj je bil zakon, ki zveni takole: atomski sistem je stabilen le, če je v enem od možnih stacionarnih(kvantna) stanja, od katerih vsako ustreza določeni energiji. Pomen tega zakona, sicer imenovanega postulat kvantnih stanj, je prepoznati odsotnost elektromagnetnega sevanja, ko je atom v takem stanju. Tudi posledica prvega postulata je prepoznavanje prisotnosti energijskih nivojev v atomu.
Pravilo pogostosti
Vendar je bilo očitno, da atom ne more biti vedno v istem kvantnem stanju, saj stabilnost zanika vsako interakcijo, kar pomeni, da v njem ne bi bilo ne vesolja ne gibanja. Navidezno protislovje je razrešil drugi postulat Bohrovega modela atomske strukture, znan kot pravilo frekvence. Atom se lahko premika iz enega kvantnega stanja v drugo z ustrezno spremembo energije, pri čemer oddaja ali absorbira kvant, katerega energija je enaka razliki med energijama stacionarnih stanj.
Drugi postulat je tudi v nasprotju s klasično elektrodinamiko. Po Maxwellovi teoriji narava gibanja elektrona ne more vplivati na frekvenco njegovega sevanja.
Atomski spekter
Bohrov kvantni model je bil omogočen s skrbnim preučevanjem spektra atoma. Dolgo časa je bilo znanstvenike nerodno, da je bil namesto pričakovanega neprekinjenega barvnega območja, pridobljenega s preučevanjem spektrov nebesnih teles, spektrogram atoma diskontinuiran. Črte svetle barve se niso prelivale ena v drugo, ampak so bile ločene z impresivnimi temnimi območji.
Teorija prehoda elektronov iz enega kvantnega stanja vdrugi je razložil to nenavadnost. Ko se je elektron premaknil z ene energijske ravni na drugo, kjer je bilo od njega zahtevano manj energije, je oddal kvant, ki se je odrazil v spektrogramu. Bohrova teorija je takoj pokazala zmožnost napovedovanja nadaljnjih sprememb v spektrih preprostih atomov, kot je vodik.
pomanjkljivosti
Bohrova teorija ni popolnoma prekinila s klasično fiziko. Še vedno je ohranila idejo o orbitalnem gibanju elektronov v elektromagnetnem polju jedra. Ideja kvantizacije med prehodom iz enega stacionarnega stanja v drugo je uspešno dopolnila planetarni model, vendar še vedno ni razrešila vseh protislovij.
Čeprav v luči Bohrovega modela, elektron ni mogel iti v spiralno gibanje in pasti v jedro, ki nenehno oddaja energijo, je ostalo nejasno, zakaj se ne bi mogel zaporedoma dvigniti na višje energijske ravni. V tem primeru bi vsi elektroni prej ali slej končali v najnižjem energijskem stanju, kar bi vodilo v uničenje atoma. Druga težava so bile anomalije v atomskih spektrih, ki jih teorija ni pojasnila. Leta 1896 je Peter Zeeman izvedel radoveden poskus. Atomski plin je postavil v magnetno polje in vzel spektrogram. Izkazalo se je, da se nekatere spektralne črte razdelijo na več. Tak učinek ni bil razložen v Bohrovi teoriji.
Izdelava modela vodikovega atoma po Bohru
Kljub vsem pomanjkljivostim svoje teorije je Niels Bohr uspel zgraditi realističen model vodikovega atoma. Pri tem je uporabil pravilo frekvence in zakone klasikemehanika. Bohrovi izračuni za določitev možnih polmerov elektronskih orbit in izračun energije kvantnih stanj so se izkazali za precej točne in so bili eksperimentalno potrjeni. Frekvence oddajanja in absorpcije elektromagnetnih valov so ustrezale lokaciji temnih vrzeli na spektrogramih.
Tako je bilo na primeru atoma vodika dokazano, da je vsak atom kvantni sistem z diskretnimi energijskimi nivoji. Poleg tega je znanstvenik lahko našel način, kako združiti klasično fiziko in svoje postulate z uporabo načela korespondence. Navaja, da kvantna mehanika vključuje zakone Newtonove fizike. Pod določenimi pogoji (na primer, če je bilo kvantno število dovolj veliko), se kvantna in klasična mehanika zbližata. To dokazuje dejstvo, da se je s povečanjem kvantnega števila dolžina temnih vrzeli v spektru zmanjšala do popolnega izginotja, kot je bilo pričakovano v luči Newtonovih konceptov.
pomen
Uvedba načela korespondence je postala pomemben vmesni korak k priznanju obstoja posebne kvantne mehanike. Bohrov model atoma je za mnoge postal izhodišče pri konstruiranju natančnejših teorij o gibanju subatomskih delcev. Niels Bohr ni uspel najti natančne fizične interpretacije pravila kvantizacije, a tudi tega ni mogel, saj so bile valovne lastnosti elementarnih delcev odkrite šele čez čas. Louis de Broglie je Bohrovo teorijo dopolnil z novimi odkritji dokazal, da je vsaka orbita poki ga elektron premika je val, ki se širi iz jedra. S tega vidika se je začelo obravnavati stacionarno stanje atoma tako, da nastane v primeru, ko se val, ki je naredil popolno revolucijo okoli jedra, ponovi.
