Atommodelle
Einer der großen Beiträge der Quantenmechanik war die beste Interpretation von Phänomenen auf der kleinsten Skala, die der Wissenschaft bis dahin bekannt war, dem Atom. Der Physiker, der es geschafft hat, eine quantitative Erklärung für das Atom zu geben, war der Däne Niels Bohr, aber um zu verstehen, was sein Beitrag zur atomaren Struktur war, wollen wir uns einige Modelle ansehen, die für das Atom vor ihm erstellt wurden.
John Dalton (1766 - 1844):
John Dalton sagte:
- Alles in der Natur besteht aus Atomen
- Atome können nicht erschaffen oder zerstört werden. Das bedeutet, dass die Anzahl der Atome jedes chemischen Elements im Universum seit seiner Entstehung konstant bleiben sollte.
- Gleiche Atome haben die gleichen Eigenschaften und unterschiedliche Atome haben unterschiedliche Eigenschaften. Atome eines bestimmten Elements werden durch ihre Massen charakterisiert. (Zukünftig wird das Gegenteil bewiesen, Atome werden durch die Ordnungszahl und nicht durch ihre Masse charakterisiert).
- Atome können sich miteinander verbinden und rekombinieren, um stabilere Strukturen, sogenannte Moleküle, zu bilden, die die Grundstruktur aller Substanzen bilden.
JJ Thompson (1856-1940):
Thompson war in der Lage, das Verhältnis von Ladung zu Masse von Kathodenstrahlen zu bestimmen und experimentell zu beweisen, dass die "Strahlen" geladene Teilchen waren. Dies gilt als die offizielle Entdeckung des Elektrons. Der Name Elektron kommt vom griechischen Elektron, was Bernstein bedeutet, das Pflanzenharz, das von den Alten mit Tierhäuten gerieben wurde, das begann, die Fähigkeit zu erwerben, Lichtobjekte anzuziehen. Thompsons Aussage war die erste experimentelle Beobachtung der elektrischen Natur der Materie. Der andere Teil der Materie bestand aus einer positiven Masse, die die Ladung der Elektronen neutralisierte und die Atome elektrisch neutral machte.
1898 formulierte Thompson sein Atommodell, in dem das Atom eine positive Masse mit darin eingebetteten negativen Elektronen ist. Dieses Modell wurde als "Pudding of Raisin" getauft.
Somit präsentiert das Atommodell von Thompson zwei grundlegende Neuerungen in Bezug auf das Atom von Dalton:
- Das Atom hat eine elektrische Eigenschaft.
- Das Atom ist dissible, im Gegensatz zu dem, was die antiken griechischen Denker und John Dalton selbst sich vorstellten.
Rutherford (1871-1937):
Rutherford nutzte zusammen mit den Wissenschaftlern Geiger und Marsden die Emissionen von Poloniumatomen und führte eines der wichtigsten Experimente durch, um das richtige Verhalten von Atomen zu entdecken.
Das Experiment bestand aus einem Emitter von Alpha-Partikeln (α) wie Polonium, und diese Partikelstrahlen wurden gegen eine sehr feine Goldfolie geschossen. Wenn diese Partikel auf die Klinge auftreffen, erfahren die Partikel eine Art Ablenkung, wenige werden abgelenkt, aber die sehr wenigen, die auf die Klinge auftreffen, kehren in die entgegengesetzte Richtung zurück. Wenn das „Plum Pudding“-Modell richtig war, erwarteten Rutherford und der Rest des Teams, dass alle Partikel (α) überqueren die Goldplatte und erleiden nur geringfügige Abweichungen, da nach Thompsons Theorie weder die negativen Teilchen noch die positiven Wolken eine ausreichende Massendichte oder Ladung haben würden, um die Teilchen zu reflektieren (α).
Damit stellte sich Rutherford vor, dass das Atom eine Region haben würde, die viel kleiner ist als die Größe des Atoms selbst, und fast seine gesamte Masse in seinem Zentrum konzentriert. Das Atom wäre ein großer leerer Raum mit Elektronen weit vom Kern entfernt und mit praktisch vernachlässigbarer Masse. Das Atommodell von Rutherford ist im Bild unten dargestellt.
Das moderne Atom:( XX - XXI ):
Andere modernere Atommodelle, die Wellenmechanik und Quantenmechanik beinhalten, waren erfolgreich und erklärten eine Reihe von Fehlern in Rutherfords Modell. Einer der Wissenschaftler, der eine stabile und elegante Form für das Atom zeigte, war Niels Bohr.
Rutherfords Modell hatte einige schwerwiegende Widersprüche bei der Erklärung der Bewegung von Elektronen. Nach der klassischen Mechanik sollte ein sich bewegendes elektrisches Teilchen kontinuierlich elektromagnetische Wellen aussenden. Dies würde dazu führen, dass das Elektron Energie verliert, bis es mit dem Kern kollidiert, d. h. nach klassischer Mechanik wäre das Rutherford-Atom instabil.
1903 gelang es Niels Bohr, der daran interessiert war, die Lichtemission angeregter Atome zu erklären, ein neues Atommodell zu formulieren. Es war bereits bekannt, dass Quellen sichtbaren Lichts im Wesentlichen von der Bewegung von Elektronen abhängen. Elektronen in Atomen können durch verschiedene Methoden wie Wärme oder elektrischen Strom von ihren niedrigsten Energiezuständen in ihre höchsten Energiezustände gehoben werden. Wenn Elektronen schließlich auf ihre niedrigsten Niveaus zurückkehren, geben sie Strahlung ab, die im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen kann. Siehe unten das von Bohr vorgeschlagene Modell.
Bohr kam zu dem Schluss, dass das Elektron keine Strahlung aussendet, solange es auf derselben Umlaufbahn bleibt, sondern nur dann Strahlung aussendet, wenn es sich von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau bewegt.
Die Quantentheorie erlaubte ihm, eine Vorstellung genauer zu formulieren: Die Bahnen würden sich nicht in beliebigen Abständen vom Kern befinden, im Gegenteil, es wären nur wenige Bahnen möglich, die jeweils einem bestimmten Energieniveau des Elektrons entsprechen. Der Übergang eines Elektrons in eine Umlaufbahn müsste durch Sprünge erfolgen, das Elektron würde sich nicht durch den Raum zwischen diesen Schichten bewegen, da das Elektron beim Absorbieren von Energie in eine äußere Umlaufbahn springen würde (ein Konzept namens Quantensprung) und , wenn es sich zu einem interneren bewegt (ein Konzept, das als Photon bekannt ist). Jede dieser Emissionen erscheint im Spektrum als gut platzierte leuchtende Linie.
Mit all diesen oben erwähnten Theorien, wie der Schwarzkörperstrahlung, dem photoelektrischen Effekt und der neuen Atomtheorie von Bohr, ist die Quantenmechanik in Konzepten und Theorien gut verankert. Nach diesen Entdeckungen schlug die Wissenschaft eine neue Richtung ein, in der Wissenschaftler erkannten, dass die Gesetze dieses mikroskopischen Universums für die kleinsten Skalen wie das Atom oder kleiner als es von den Gesetzen der Quantenmechanik bestimmt werden, völlig anderen Gesetzen, wenn es um die geht alltägliches, makroskopisches Universum, auf das wir genauer sehen werden, wie die Fortführung dieser Theorie war und auf welche Zweige sie sich bezieht.