מודלים אטומיים
אחת התרומות הגדולות של מכניקת הקוונטים הייתה הפירוש הטוב ביותר של תופעות בקנה מידה הקטנה ביותר שידע המדע עד אז, האטום. הפיזיקאי שהצליח לתת הסבר כמותי לאטום היה נילס בוהר הדני, אבל כדי להבין מה הייתה תרומתו למבנה האטומי, נסקור כמה מודלים שנעשו עבור האטום שקדם לו.
ג'ון דלטון (1766 - 1844):
ג'ון דלטון אמר:
- הכל בטבע מורכב מאטומים
- לא ניתן ליצור או להרוס אטומים. המשמעות היא שמספר האטומים של כל יסוד כימי צריך להישאר קבוע ביקום מאז מוצאו.
- לאטומים שווים יש אותן תכונות, ולאטומים שונים יש תכונות שונות. אטומים של יסוד נתון מאופיינים במסה שלהם. (עתיד יוכח אחרת, אטומים מאופיינים במספר אטומי ולא לפי המסות שלהם).
- אטומים יכולים לשלב ולשלב זה עם זה מחדש כדי ליצור מבנים יציבים יותר, הנקראים מולקולות, המרכיבות את המבנה הבסיסי של כל החומרים.
ג'יי ג'יי תומפסון (1856-1940):
תומפסון הצליח לקבוע את היחס בין המטען למסה של קרני קתודה, והוכיח בניסוי שה"קרניים" היו חלקיקים טעונים. זה נחשב לגילוי הרשמי של האלקטרון. השם אלקטרון מגיע מהאלקטרון היווני, שפירושו ענבר, שרף הצומח ששפשפו הקדמונים בעורות של בעלי חיים, שהתחיל לרכוש את היכולת למשוך עצמים קלים. ההצהרה של תומפסון הייתה התצפית הניסיונית הראשונה בטבעו החשמלי של החומר. החלק השני של החומר היה מורכב ממסה חיובית, שניטרלה את מטען האלקטרונים והפכה את האטומים לניטרליים חשמלית.
בשנת 1898 גיבש תומפסון את המודל האטומי שלו, שבו האטום הוא מסה חיובית עם אלקטרונים שליליים משובצים בתוכה. דגם זה הוטבל כ"פודינג של צימוקים".
לפיכך, המודל האטומי של תומפסון מציג שני חידושים מהותיים ביחס לאטום של דלטון:
- לאטום יש מאפיין חשמלי.
- האטום הוא בלתי ניתן, בניגוד למה שההוגים היוונים הקדמונים וג'ון דלטון עצמו דמיינו.
רתרפורד (1871-1937):
רתרפורד עשה שימוש בפליטות מאטומי פולוניום, יחד עם המדענים גייגר ומרסדן, וביצע את אחד הניסויים החשובים ביותר בניסיון לגלות את ההתנהגות הנכונה של אטומים.
הניסוי כלל פולט של חלקיקי אלפא (α) כגון פולוניום, ואלומות חלקיקים אלו שוגרו כנגד יריעת זהב עדינה מאוד. כאשר חלקיקים אלו פגעו בלהב, החלקיקים סבלו מעין סטיה, מעטים מוסטים אך מעטים מאוד שפגעו בלהב חזרו בכיוון ההפוך. אם המודל של "פודינג שזיפים" היה נכון, מה שרתרפורד ושאר הצוות ציפו היה שכל החלקיקים (α) חוצים את לוח הזהב, סובלים מסטיות קלות בלבד, מכיוון שלפי התיאוריה של תומפסון, לא לגופיפים השליליים ולא לעננים החיוביים תהיה צפיפות מסה או מטען מספיקים כדי לשקף את החלקיקים (α).
עם זה דמיין רתרפורד שלאטום יהיה אזור קטן בהרבה מגודל האטום עצמו, וירכז כמעט את כל המסה שלו במרכזו. האטום יהיה חלל ריק גדול, עם אלקטרונים רחוקים מהגרעין ועם מסה זניחה כמעט. המודל האטומי של רתרפורד מוצג בתמונה למטה.
האטום המודרני:(XX - XXI):
מודלים אטומיים מודרניים נוספים, הכוללים מכניקת גלים ומכניקת קוונטים, הצליחו והסבירו מספר פגמים במודל של רתרפורד. אחד המדענים שהראו צורה יציבה ואלגנטית לאטום היה נילס בוהר.
למודל של רתרפורד היו כמה חוסר עקביות רציני בהסבר התנועה של אלקטרונים. על פי המכניקה הקלאסית, חלקיק חשמלי נע צריך לפלוט ברציפות גלים אלקטרומגנטיים. זה יגרום לאלקטרון לאבד אנרגיה עד שהוא יתנגש בגרעין, כלומר לפי מכניקה קלאסית האטום של רתרפורד יהיה לא יציב.
נילס בוהר ב-1903, שמעוניין להסביר את פליטת האור על ידי אטומים נרגשים, הצליח לגבש מודל אטומי חדש. כבר היה ידוע שמקורות האור הנראה תלויים בעיקרם בתנועת האלקטרונים. ניתן להעלות אלקטרונים באטומים ממצבי האנרגיה הנמוכים ביותר שלהם למצבי האנרגיה הגבוהים ביותר בשיטות שונות, כגון חום או זרם חשמלי. כאשר האלקטרונים בסופו של דבר חוזרים לרמות הנמוכות ביותר שלהם, הם פולטים קרינה שעשויה להיות באזור הנראה של הספקטרום. ראה להלן את המודל שהציע בוהר.
בוהר הגיע למסקנה שהאלקטרון לא פולט קרינה כל עוד הוא נשאר באותו מסלול, הוא נפלט קרינה רק כאשר הוא עבר מרמת אנרגיה גבוהה יותר לרמת אנרגיה נמוכה יותר.
תורת הקוונטים אפשרה לו לנסח תפיסה בצורה מדויקת יותר: המסלולים לא יהיו ממוקמים בשום מרחק מהגרעין, להיפך, רק כמה מסלולים יהיו אפשריים, שכל אחד מהם מתאים לרמת אנרגיה מסוימת של האלקטרון. מעבר של אלקטרון למסלול יצטרך להתבצע על ידי קפיצות, האלקטרון לא יעבור בחלל שבין השכבות הללו, כי בעת קליטת אנרגיה, האלקטרון יקפוץ למסלול חיצוני יותר (מושג שנקרא קפיצת קוונטים) ו , כאשר פולט זה יעבור לאחד פנימי יותר (מושג המכונה פוטון). כל אחת מהפליטות הללו מופיעה בספקטרום כקו זוהר הממוקם היטב.
עם כל התיאוריות הללו שהוזכרו לעיל, כמו קרינת גוף שחור, אפקט פוטואלקטרי ותאוריית האטום החדשה של בוהר, מכניקת הקוונטים מעוגנת היטב במושגים ובתיאוריות. לאחר התגליות הללו, המדע לקח כיוון חדש בו מדענים הבינו שכאשר עוסקים בקנה מידה קטן ביותר כמו האטום או קטן ממנו, מי ששולט בחוקים ביקום המיקרוסקופי הזה הם חוקי מכניקת הקוונטים, חוקים שונים לחלוטין כשזה מגיע. ליקום היומיומי, המקרוסקופי, עליו נראה ביתר פירוט כיצד היה המשך התיאוריה הזו ואילו ענפים היא חלה.