Atomteorin har kommit långt under de senaste tusen åren. Början på 500-talet f. Kr. Med Democritus 'teori om odelbara "kroppar" som samverkar med varandra mekaniskt, sedan flyttar till Daltons atommodell på 1700-talet och sedan mognar på 1900-talet med upptäckten av subatomära partiklar och kvantteori, upptäckten har varit lång och slingrande.
Det är säkert att en av de viktigaste milstolparna längs vägen har varit Bohrs atomodell, som ibland kallas Rutherford-Bohr-atommodellen. Denna modell föreslogs av den danska fysikern Niels Bohr 1913 och beskriver atomen som en liten, positivt laddad kärna omgiven av elektroner som rör sig i cirkulära banor (definierade av deras energinivåer) runt centrum.
Atomteorin från 1800-talet:
De tidigaste kända exemplen på atomteori kommer från antika Grekland och Indien, där filosofer som Democritus postulerade att all materia var sammansatt av små, odelbara och oförstörbara enheter. Begreppet ”atom” myntades i det antika Grekland och gav upphov till tankeskolan känd som ”atomism”. Men denna teori var mer ett filosofiskt begrepp än en vetenskaplig.
Det var först på 1800-talet som atomteorin formulerades som en vetenskaplig fråga, med de första evidensbaserade experimenten som genomfördes. I början av 1800-talet använde till exempel den engelska forskaren John Dalton begreppet atom för att förklara varför kemiska element reagerade på vissa observerbara och förutsägbara sätt. Genom en serie experiment som involverade gaser fortsatte Dalton med att utveckla det som kallas Daltons Atomic Theory.
Denna teori utvidgade lagarna för konversation av massa och bestämda proportioner och kom till fem lokaler: element, i deras renaste tillstånd, består av partiklar som kallas atomer; atomer i ett specifikt element är desamma, ända fram till den sista atomen; atomer från olika element kan delas isär med sina atomvikter; atomer av element förenas för att bilda kemiska föreningar; atomer kan varken skapas eller förstöras i kemisk reaktion, bara grupperingarna ändras någonsin.
Upptäckten av elektron:
I slutet av 1800-talet började forskare att teoretisera att atomen bestod av mer än en grundläggande enhet. Men de flesta forskare vågade sig att denna enhet skulle vara storleken på den minsta kända atomen - väte. I slutet av 1800-talet skulle detta förändras drastiskt tack vare forskning som forskare som Sir Joseph John Thomson genomförde.
Genom en serie experiment med användning av katodstrålerör (känd som Crookes 'Tube) observerade Thomson att katodstrålarna kunde avledas med elektriska och magnetiska fält. Han drog slutsatsen att de snarare än att bestå av ljus, bestod av negativt laddade partiklar som var 1 gånger mindre och 1800 gånger lättare än väte.
Detta motbeviste effektivt tanken att väteatomen var den minsta materienheten, och Thompson gick vidare för att antyda att atomer var delbara. För att förklara den totala laddningen av atomen, som bestod av både positiva och negativa laddningar, föreslog Thompson en modell där de negativt laddade "kropparna" fördelades i ett enhetligt hav med positiv laddning - känd som Plum Pudding Model.
Dessa korpuskler skulle senare kallas "elektroner", baserat på den teoretiska partikeln som förutspåddes av den anglo-irländska fysikern George Johnstone Stoney 1874. Och härifrån föddes Plum Pudding-modellen, så benämnd på grund av att den liknade den engelska öknen som består av plommonkaka och russin. Konceptet introducerades till världen i mars 1904-upplagan av Storbritannien Filosofisk tidskrift, till bred hylla.
Rutherford-modellen:
Efterföljande experiment avslöjade ett antal vetenskapliga problem med Plum Pudding-modellen. Till att börja med var det problemet med att visa att atomen hade en enhetlig positiv bakgrundsladdning, som blev känd som ”Thomson-problemet”. Fem år senare skulle modellen motbevisas av Hans Geiger och Ernest Marsden, som genomförde en serie experiment med alfapartiklar och guldfolie - aka. "guldfolieexperimentet."
I detta experiment mätte Geiger och Marsden spridningsmönstret för alfapartiklarna med en fluorescerande skärm. Om Thomsons modell var korrekt, skulle alfapartiklarna passera genom atomstrukturen i folien utan hinder. Emellertid noterade de istället att medan de flesta sköt rakt igenom, var några av dem spridda i olika riktningar, med vissa som gick tillbaka i riktning mot källan.
Geiger och Marsden drog slutsatsen att partiklarna hade stött på en elektrostatisk kraft som var mycket större än vad Thomsons modell tillät. Eftersom alfapartiklar bara är heliumkärnor (som är positivt laddade) antydde detta att den positiva laddningen i atomen inte sprids i stor utsträckning utan koncentrerades i en liten volym. Dessutom innebar det faktum att de partiklar som inte avböjdes passerade genom obehindrat att dessa positiva utrymmen separerades av vidsträckta bukter med tomt utrymme.
År 1911 tolkade fysikern Ernest Rutherford Geiger-Marsden-experimenten och förkastade Thomsons modell av atomen. Istället föreslog han en modell där atomen bestod av mestadels tomt utrymme, med all sin positiva laddning koncentrerad i dess centrum i en mycket liten volym, som var omgiven av ett moln av elektroner. Detta blev känt som atomens Rutherford-modell.
Bohr-modellen:
Efterföljande experiment av Antonius Van den Broek och Niels Bohr förfinade modellen ytterligare. Medan Van den Broek föreslog att atomantalet för ett element är mycket likt dess kärnkraftsladdning, föreslog den senare en solsystem-liknande modell av atomen, där en kärna innehåller atomantalet positiv laddning och är omgiven av en lika antal elektroner i orbitalskal (även Bohr-modellen).
Dessutom förfinade Bohrs modell vissa delar av Rutherford-modellen som var problematiska. Dessa inkluderade problem som uppstod från klassisk mekanik, som förutspådde att elektroner skulle släppa elektromagnetisk strålning medan de kretsar kring en kärna. På grund av energiförlusten borde elektronen ha spiralat inåt och kollapsat i kärnan. Kort sagt antydde denna atommodell att alla atomer var instabila.
Modellen förutspådde också att när elektroner spiralade inåt, skulle deras utsläpp snabbt öka i frekvens när banan blev mindre och snabbare. Men experiment med elektriska urladdningar i slutet av 1800-talet visade att atomer endast avger elektromagnetisk energi vid vissa diskreta frekvenser.
Bohr löst detta genom att föreslå att elektroner kretsar kring kärnan på sätt som var förenliga med Plancks kvanteteori om strålning. I denna modell kan elektroner endast uppta vissa tillåtna orbitaler med en specifik energi. Dessutom kan de bara vinna och förlora energi genom att hoppa från en tillåten bana till en annan, absorbera eller avge elektromagnetisk strålning i processen.
Dessa banor var associerade med bestämda energier, som han hänvisade till som energi skal eller energinivåer. Med andra ord är en elektrons energi inuti en atom inte kontinuerlig utan "kvantiserad". Dessa nivåer är således märkta med kvantantalet n (n = 1, 2, 3, etc.) som han hävdade kunde bestämmas med Ryberg-formeln - en regel som formulerades 1888 av den svenska fysikern Johannes Ryberg för att beskriva våglängderna för spektrallinjer för många kemiska element.
Påverkan av Bohr-modellen:
Medan Bohrs modell visade sig vara banbrytande i vissa avseenden - att slå samman Rybergs konstant och Plancks konstant (alias kvantteori) med Rutherford-modellen - led den av några brister som senare experiment skulle illustrera. Till att börja med antog det att elektroner har både en känd radie och bana, något som Werner Heisenberg skulle motbevisa ett decennium senare med sin osäkerhetsprincip.
Dessutom, även om det var användbart för att förutsäga beteendet hos elektroner i väteatomer, var Bohrs modell inte särskilt användbar för att förutsäga spektrat för större atomer. I dessa fall, där atomer har flera elektroner, var energinivåerna inte i överensstämmelse med vad Bohr förutspådde. Modellen fungerade inte heller med neutrala heliumatomer.
Bohr-modellen kunde inte heller redogöra för Zeeman-effekten, ett fenomen som noterades av holländska fysiker Pieter Zeeman 1902, där spektrallinjerna delas upp i två eller fler i närvaro av ett externt, statiskt magnetfält. På grund av detta försökte flera förbättringar med Bohrs atomodell, men också dessa visade sig vara problematiska.
I slutändan skulle detta leda till att Bohrs modell ersätts av kvantteori - i överensstämmelse med Heisenbergs och Erwin Schrodingers arbete. Ändå förblir Bohrs modell användbar som ett instruktionsverktyg för att introducera studenter till mer moderna teorier - som kvantmekanik och atommodellen valensskal.
Det skulle också visa sig vara en viktig milstolpe i utvecklingen av standardmodellen för partikelfysik, en modell som kännetecknas av "elektronmoln", elementära partiklar och osäkerhet.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om atomteori här på Space Magazine. Här är John Daltons Atomic Model, What is the Plum Pudding Model, What is the Electron Cloud Model?, Who was Democritus ?, and What are the Parts of Atom?
Astronomy Cast har också några avsnitt om ämnet: Avsnitt 138: Quantum Mechanics, Avsnitt 139: Energy Levels and Spectra, Avsnitt 378: Rutherford and Atoms och Episode 392: The Standard Model - Intro.
källor:
- Niels Bohr (1913) "Om konstitutionen för atomer och molekyler, del I"
- Niels Bohr (1913) "Om konstitutionen för atomer och molekyler, del II-system som endast innehåller en enda kärna"
- Encyclopaedia Britannica: Borh Atomic Model
- Hyperfysik - Bohr-modell
- University of Tennessee, Knoxville - The Borh Model
- University of Toronto - The Bohr Model of the Atom
- NASA - Imagine the Universe - Bakgrund: Atomer och ljusenergi
- Om utbildning - Bohr Model of the Atom
