АТОМНЫЕ МОДЕЛИ
Одним из величайших достижений квантовой механики была лучшая интерпретация явлений на самых маленьких масштабах, известных науке до того времени, на атоме. Физик, которому удалось дать количественное объяснение атома, был датчанином Нильсом Бором, но чтобы понять, каков был его вклад в строение атома, давайте рассмотрим некоторые модели, сделанные для атома, которые ему предшествовали.
Джон Дальтон (1766 - 1844):
Джон Далтон сказал:
- Все в природе состоит из атомов
- Атомы не могут быть созданы или уничтожены. Это означает, что число атомов любого химического элемента должно оставаться постоянным во Вселенной с момента ее возникновения.
- Одинаковые атомы обладают одинаковыми свойствами, а разные атомы имеют разные свойства. Атомы данного элемента характеризуются своей массой. (Будущее доказало обратное, атомы характеризуются атомным номером, а не массой).
- Атомы могут объединяться и рекомбинироваться друг с другом, образуя более стабильные структуры, называемые молекулами, которые составляют основную структуру всех веществ.
Дж. Дж. Томпсон (1856–1940):
Томпсон смог определить отношение заряда к массе катодных лучей, экспериментально доказав, что «лучи» были заряженными частицами. Это считается официальным открытием электрона. Название электрон произошло от греческого elektron, что означает янтарь, растительной смолы, натертой древними шкурами животных, которые стали приобретать способность притягивать легкие предметы. Заявление Томпсона было первым экспериментальным наблюдением электрической природы материи. Другая часть вещества состояла из положительной массы, которая нейтрализовала заряд электронов и делала атомы электрически нейтральными.
В 1898 году Томпсон сформулировал свою модель атома, в которой атом представляет собой положительную массу с внедренными в нее отрицательными электронами. Эта модель получила название «Пудинг из изюма».
Таким образом, модель атома Томпсона представляет два фундаментальных нововведения по отношению к атому Дальтона:
- Атом имеет электрическую характеристику.
- Атом расщеплен, вопреки тому, что представляли себе древнегреческие мыслители и сам Джон Дальтон.
Резерфорд (1871-1937):
Резерфорд использовал излучение атомов полония вместе с учеными Гейгером и Марсденом и провел один из самых важных экспериментов, пытаясь обнаружить правильное поведение атомов.
Эксперимент состоял из излучателя альфа-частиц (α), таких как полоний, и эти пучки частиц направлялись на очень тонкий лист золота. Когда эти частицы ударяются о лезвие, частицы испытывают своего рода отклонение, немногие из них отклоняются, но очень немногие, попавшие на лезвие, возвращаются в противоположном направлении. Если модель «сливового пудинга» верна, Резерфорд и остальная часть команды ожидали, что все частицы (α) пересекают золотую пластину, претерпевая лишь небольшие отклонения, потому что, согласно теории Томпсона, ни отрицательные частицы, ни положительные облака не имеют достаточной плотности массы или заряда, чтобы отражать частицы. (α).
При этом Резерфорд предположил, что атом будет иметь область, намного меньшую, чем размер самого атома, концентрирующую почти всю его массу в его центре. Атом был бы большим пустым пространством, с электронами далеко от ядра и с практически ничтожной массой. Модель атома Резерфорда показана на изображении ниже.
Современный атом: (XX - XXI):
Другие более современные модели атома, включающие волновую и квантовую механику, оказались успешными и объяснили ряд недостатков модели Резерфорда. Одним из ученых, показавших стабильную и элегантную форму атома, был Нильс Бор.
Модель Резерфорда содержала серьезные несоответствия в объяснении движения электронов. Согласно классической механике движущаяся электрическая частица должна непрерывно излучать электромагнитные волны. Это заставило бы электрон терять энергию до тех пор, пока он не столкнется с ядром, то есть согласно классической механике атом Резерфорда был бы нестабилен.
Нильс Бор в 1903 году, заинтересованный в объяснении излучения света возбужденными атомами, сумел сформулировать новую модель атома. Уже было известно, что источники видимого света существенно зависят от движения электронов. Электроны в атомах могут быть подняты из их низших энергетических состояний в высшие энергетические состояния различными способами, такими как тепло или электрический ток. Когда электроны в конце концов возвращаются на свои нижние уровни, они испускают излучение, которое может находиться в видимой области спектра. См. ниже модель, предложенную Бором.
Бор пришел к выводу, что электрон не излучает излучение, пока остается на одной и той же орбите, а излучает только при переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень.
Квантовая теория позволила ему более точно сформулировать концепцию: орбиты не будут располагаться на каких-либо расстояниях от ядра, наоборот, будет возможно лишь несколько орбит, каждая из которых соответствует определенному уровню энергии электрона. Переход электрона на орбиту должен был бы осуществляться прыжками, электрон не проходил бы через пространство между этими слоями, потому что при поглощении энергии электрон перескакивал бы на более внешнюю орбиту (концепция, называемая квантовым скачком) и , при излучении он перемещался бы к более внутреннему (концепция, известная как фотон). Каждое из этих излучений появляется в спектре в виде хорошо расположенной светящейся линии.
Со всеми этими теориями, упомянутыми выше, такими как излучение черного тела, фотоэлектрический эффект и новая атомная теория Бора, квантовая механика хорошо основана на концепциях и теориях. После этих открытий наука взяла новое направление, в котором ученые поняли, что, имея дело с наименьшими масштабами, такими как атом или меньше его, законы этой микроскопической вселенной управляют законами квантовой механики, совершенно другими законами, когда дело доходит до повседневную, макроскопическую вселенную, к которой мы более подробно увидим, как было продолжение этой теории и к каким ветвям она относится.