Teoria atomică a parcurs un drum lung în ultimele câteva mii de ani. Începând cu secolul al V-lea î.Hr. cu Democrit „Teoria „corpusculilor” indivizibili care interacționează mecanic între ele, trecând apoi la modelul atomic al lui Dalton în secolul al XVIII-lea și apoi maturându-se în secolul al XX-lea odată cu descoperirea particulelor subatomice și a teoriei cuantice, călătoria descoperirii a fost lungă și serpuit, cotit.
Probabil, una dintre cele mai importante repere de-a lungul drumului a fost modelul atomic al lui Bohr, care este uneori denumit modelul atomic Rutherford-Bohr. Propus de fizicianul danez Niels Bohr în 1913, acest model descrie atomul ca un nucleu mic, încărcat pozitiv, înconjurat de electroni care călătoresc pe orbite circulare (definite de nivelul lor de energie) în jurul centrului.
Teoria atomică până în secolul al XIX-lea:
Cele mai vechi exemple cunoscute de teorie atomică provin din Grecia antică și India, unde filozofi precum Democrit au postulat că toată materia era compusă din unități minuscule, indivizibile și indestructibile. Termenul „atom” a fost inventat în Grecia antică și a dat naștere școlii de gândire cunoscută sub numele de „atomism”. Cu toate acestea, această teorie a fost mai mult un concept filozofic decât unul științific.
Diferiți atomi și molecule, așa cum sunt descrise în A New System of Chemical Philosophy a lui John Dalton (1808). Credit: Domeniu Public
Abia în secolul al XIX-lea, teoria atomilor a devenit articulată ca o chestiune științifică, fiind efectuate primele experimente bazate pe dovezi. De exemplu, la începutul anilor 1800, omul de știință englez John Dalton a folosit conceptul de atom pentru a explica de ce elementele chimice au reacționat în anumite moduri observabile și previzibile. Printr-o serie de experimente care implică gaze, Dalton a continuat să dezvolte ceea ce este cunoscut ca Teoria atomică a lui Dalton .
Această teorie sa extins pe legile conversației masei și proporțiilor definite și s-a redus la cinci premise: elementele, în starea lor cea mai pură, constau din particule numite atomi; atomii unui anumit element sunt toți la fel, până la ultimul atom; atomii diferitelor elemente pot fi deosebiți după greutățile lor atomice; atomii de elemente se unesc pentru a forma compuși chimici; atomii nu pot fi nici creați, nici distruși în reacția chimică, doar gruparea se schimbă vreodată.
Descoperirea electronului:
Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au început să teoretizeze că atomul era alcătuit din mai mult de o unitate fundamentală. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință s-au aventurat că această unitate ar avea dimensiunea celui mai mic atom cunoscut - hidrogenul. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, acest lucru se va schimba drastic, datorită cercetărilor efectuate de oameni de știință precum Sir Joseph John Thomson.
Printr-o serie de experimente folosind tuburi catodice (cunoscute sub numele de Tubul lui Crookes ), Thomson a observat că razele catodice ar putea fi deviate de câmpurile electrice și magnetice. El a concluzionat că, mai degrabă decât să fie compuse din lumină, acestea erau formate din particule încărcate negativ care erau de 100 de ori mai mici și de 1800 de ori mai ușoare decât hidrogenul.
Modelul Plum Pudding al atomului propus de J.J. Thomson. Credit: britannica.com
Acest lucru a infirmat efectiv ideea că atomul de hidrogen este cea mai mică unitate de materie, iar Thompson a mers mai departe, sugerând că atomii sunt divizibili. Pentru a explica sarcina globală a atomului, care consta atât din sarcini pozitive cât și negative, Thompson a propus un model prin care „corpusculele” încărcate negativ erau distribuite într-o mare uniformă de sarcină pozitivă - cunoscută sub numele de Model de budincă de prune .
Acești corpusculi aveau să fie numiți mai târziu „electroni”, pe baza particulei teoretice prezise de fizicianul anglo-irlandez George Johnstone Stoney în 1874. Și din aceasta s-a născut Modelul Plum Pudding, numit așa pentru că semăna foarte mult cu deșertul englez, care constă din prajitura cu prune si stafide. Conceptul a fost introdus în lume în ediția din martie 1904 a Marii Britanii Revista Filosofică ,la o largă aclamație.
Modelul Rutherford:
Experimentele ulterioare au relevat o serie de probleme științifice cu modelul Plum Pudding. Pentru început, a existat problema de a demonstra că atomul poseda o sarcină de fond pozitivă uniformă, care a ajuns să fie cunoscută sub numele de „Problema Thomson”. Cinci ani mai târziu, modelul avea să fie infirmat de Hans Geiger și Ernest Marsden, care au efectuat o serie de experimente folosind particule alfa și folie de aur - alias. „ experiment cu folie de aur .'
În acest experiment, Geiger și Marsden au măsurat modelul de împrăștiere al particulelor alfa cu un ecran fluorescent. Dacă modelul lui Thomson ar fi corect, particulele alfa ar trece prin structura atomică a foliei fără obstacole. Cu toate acestea, ei au remarcat în schimb că, în timp ce majoritatea au tras direct, unii dintre ei au fost împrăștiați în diferite direcții, unii mergând înapoi în direcția sursei.
Diagrama care detaliază „experimentul foliei de aur” condus de Hans Geiger și Ernest Marsden. Credit: glogster.com
Geiger și Marsden au concluzionat că particulele au întâlnit o forță electrostatică mult mai mare decât cea permisă de modelul lui Thomson. Deoarece particulele alfa sunt doar nuclee de heliu (care sunt încărcate pozitiv), aceasta a implicat că sarcina pozitivă din atom nu a fost dispersată pe scară largă, ci concentrată într-un volum mic. În plus, faptul că acele particule care nu au fost deviate au trecut prin nestingherite a însemnat că aceste spații pozitive au fost separate de goluri vaste de spațiu gol.
Până în 1911, fizicianul Ernest Rutherford a interpretat experimentele Geiger-Marsden și a respins modelul atomic al lui Thomson. În schimb, el a propus un model în care atomul consta în mare parte din spațiu gol, cu toată sarcina sa pozitivă concentrată în centru într-un volum foarte mic, care era înconjurat de un nor de electroni. Acesta a ajuns să fie cunoscut sub numele de Modelul Rutherford a atomului.
Modelul Bohr:
Experimentele ulterioare ale lui Antonius Van den Broek și Niels Bohr au rafinat modelul și mai mult. În timp ce Van den Broek a sugerat că numărul atomic al unui element este foarte asemănător cu sarcina sa nucleară, acesta din urmă a propus un model asemănător unui sistem solar al atomului, în care un nucleu conține numărul atomic al sarcinii pozitive și este înconjurat de o sarcină egală. numărul de electroni din învelișurile orbitale (alias Modelul Bohr ).
În plus, modelul lui Bohr a rafinat anumite elemente ale modelului Rutherford care erau problematice. Acestea au inclus problemele care decurg din mecanica clasică, care a prezis că electronii vor elibera radiații electromagnetice în timp ce orbitează un nucleu. Din cauza pierderii de energie, electronul ar fi trebuit să fi spiralat rapid spre interior și să se prăbușească în nucleu. Pe scurt, acest model atomic a implicat că toți atomii erau instabili.
Diagrama unui electron care cade de la un orbital superior la unul inferior și emite un foton. Credit imagine: Wikicommons
De asemenea, modelul a prezis că, pe măsură ce electronii se învârteau în spirală spre interior, emisia lor va crește rapid în frecvență pe măsură ce orbita devine mai mică și mai rapidă. Cu toate acestea, experimentele cu descărcări electrice de la sfârșitul secolului al XIX-lea au arătat că atomii emit energie electromagnetică doar la anumite frecvențe discrete.
Bohr a rezolvat acest lucru propunând că electronii orbitează în jurul nucleului în moduri care erau în concordanță cu teoria cuantică a radiației a lui Planck. În acest model, electronii pot ocupa doar anumiți orbitali permisi cu o anumită energie. În plus, ei pot câștiga și pierde energie doar sărind de pe o orbită permisă pe alta, absorbind sau emitând radiații electromagnetice în acest proces.
Aceste orbite au fost asociate cu energii definite, la care el a numitcochilii de energiesauniveluri de energie. Cu alte cuvinte, energia unui electron din interiorul unui atom nu este continuă, ci „cuantizată”. Aceste niveluri sunt astfel etichetate cu numărul cuanticn(n=1, 2, 3 etc.) despre care a susținut că ar putea fi determinată folosind formula Ryberg – o regulă formulată în 1888 de fizicianul suedez Johannes Ryberg pentru a descrie lungimile de undă ale liniilor spectrale ale multor elemente chimice.
Influența modelului Bohr:
În timp ce modelul lui Bohr s-a dovedit a fi inovator în unele privințe - fuzionarea constanta lui Ryberg și constanta lui Planck (alias. Teoria cuantică) cu modelul Rutherford – a suferit unele defecte pe care experimentele ulterioare le-ar ilustra. Pentru început, s-a presupus că electronii au atât o rază cunoscută, cât și o orbită, lucru pe care Werner Heisenberg l-ar infirma un deceniu mai târziu cu Principiul incertitudinii .
În plus, deși a fost util pentru prezicerea comportamentului electronilor în atomii de hidrogen, modelul lui Bohr nu a fost deosebit de util în prezicerea spectrelor atomilor mai mari. În aceste cazuri, în care atomii au electroni multipli, nivelurile de energie nu au fost în concordanță cu ceea ce a prezis Bohr. De asemenea, modelul nu a funcționat cu atomi neutri de heliu.
De asemenea, modelul Bohr nu a putut explica Efectul Zeeman , un fenomen observat de fizicienii olandezi Pieter Zeeman în 1902, în care liniile spectrale sunt împărțite în două sau mai multe în prezența unui câmp magnetic extern, static. Din acest motiv, s-au încercat câteva perfecționări cu modelul atomic al lui Bohr, dar și acestea s-au dovedit a fi problematice.
În cele din urmă, acest lucru ar duce la înlocuirea modelului lui Bohr de teoria cuantică - în concordanță cu lucrările lui Heisenberg și Erwin Schrodinger. Cu toate acestea, modelul lui Bohr rămâne util ca instrument de instruire pentru introducerea studenților în teorii mai moderne - cum ar fi mecanica cuantică și modelul atomic al învelișului de valență.
De asemenea, s-ar dovedi a fi o piatră de hotar majoră în dezvoltarea Modelul standard al fizicii particulelor , un model caracterizat prin „ nori de electroni „, particule elementare și incertitudine.
Am scris multe articole interesante despre teoria atomică aici la Universe Today. Iată Modelul atomic al lui John Dalton , Ce este modelul de budincă de prune , Ce este Modelul Electron Cloud? , Cine a fost Democrit? , și Care sunt părțile atomului?
Astronomy Cast are și câteva episoade pe acest subiect: Episodul 138: Mecanica cuantică , Episodul 139: Niveluri de energie și spectre, Episodul 378: Rutherford și atomii și Episodul 392: Modelul standard – Introducere .
Surse:
- Niels Bohr (1913) „Despre constituția atomilor și moleculelor, partea I”
- Niels Bohr (1913) „Despre constituția atomilor și moleculelor, partea a II-a sisteme care conțin doar un singur nucleu”
- Encyclopaedia Britannica: Modelul atomic Borh
- Hiperfizică – Modelul Bohr
- Universitatea din Tennessee, Knoxville – Modelul Borh
- Universitatea din Toronto – Modelul Bohr al atomului
- NASA – Imaginează-ți Universul – Context: Atomi și Energie luminoasă
- Despre educație – Modelul Bohr al atomului