โมเดลอะตอม
การมีส่วนร่วมที่ยิ่งใหญ่อย่างหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมคือการตีความปรากฏการณ์ได้ดีที่สุดในระดับที่เล็กที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักจนกระทั่งถึงตอนนั้น นั่นคืออะตอม นักฟิสิกส์ที่สามารถให้คำอธิบายเชิงปริมาณสำหรับอะตอมได้คือชาวเดนมาร์ก Niels Bohr แต่เพื่อให้เข้าใจว่าเขามีส่วนสนับสนุนโครงสร้างอะตอมอย่างไร เรามาทบทวนแบบจำลองบางอย่างที่สร้างขึ ้นสำหรับอะตอมที่อยู่ก่อนหน้าเขา
จอห์น ดาลตัน (1766 - 1844):
จอห์น ดาลตัน กล่าวว่า:
- ทุกสิ่งในธรรมชาติประกอบด้วยอะตอม
- อะตอมไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ ซึ่งหมายความว่าจำนวนอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ ควรคงที่ในจักรวาลตั้งแต่กำเนิด
- อะตอมเท่ากันมีคุณสมบัติเหมือนกัน และอะตอมต่างกันมีคุณสมบัติต่างกัน อะตอมของธาตุที่กำหนดมีลักษณะเป็นมวล (อนาคตได้รับการพิสูจน์เป็นอย่างอื่น อะตอมมีลักษณะเฉพาะด้วยเลขอะตอมและไม่ใช่โดยมวล)
- อะตอมสามารถรวมตัวและรวมตัวกันใหม่เพื่อสร้างโครงสร้างที่เสถียรมากขึ้น เรียกว่าโมเลกุล ซึ่งประกอบเป็นโครงสร้างพื้นฐานของสารทั้งหมด
เจเจ ทอมป์สัน (1856-1940):
Thompson สามารถระบุความสัมพันธ์ระหว่างประจุและมวลของรังสีแคโทด โดยการทดลองพิสูจน์ว่า "รังสี" เป็นอนุภาคที่มีประจุ นี่ถือเป็นการค้นพบอิเล็กตรอนอย่างเป็นทางการ ชื่ออิเล็กตรอนมาจากภาษากรีก elektron ซึ่งหมายถึงสีเหลืองอำพัน เรซินของพืชถูโดยคนโบราณด้วยหนังสัตว์ ซึ่งเริ่มมีความสามารถในการดึงดูดวัตถุที่มีแสง ถ้อยแถลงของทอมป์สันเป็นการสังเกตเชิงทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับลักษณะทางไฟฟ้าของสสาร ส่วนอื่นของสสารประกอบด้วยมวลบวกซึ่งทำให้ประจุของอิเล็กตรอนเป็นกลางและทำให้อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า
ในปี พ.ศ. 2441 ทอมป์สันได้สร้างแบบจำลองอะตอมของเขา โดยที่อะตอมมีมวลบวกที่มีอิเล็กตรอนเชิงลบฝังอยู่ในนั้น โมเดลนี้รับบัพติสมาเป็น "พุดดิ้งลูกเกด"
ดังนั้น แบบจำลองอะตอมของทอมป์สันจึงนำเสนอนวัตกรรมพื้ นฐานสองประการที่เกี่ยวข้องกับอะตอมของดาลตัน:
- อะตอมมีลักษณะทางไฟฟ้า
- อะตอมสามารถสลายได้ ตรงกันข้ามกับสิ่งที่นักคิดชาวกรีกโบราณและจอห์น ดาลตันจินตนาการไว้
Rutherford (1871-1937):
Rutherford ใช้การปลดปล่อยจากอะตอมของพอโลเนียมร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ Geiger และ Marsden และทำการทดลองที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งเพื่อพยายามค้นหาสิ่งที่ถูกต้อง พฤติกรรมของอะตอม
การทดลองประกอบด้วยอิมิตเตอร์ของอนุภาคแอลฟา (α) เช่น พอโลเนียม และลำแสงอนุภาคเหล่านี้ถูกยิงปะทะกับแผ่นทองคำบางๆ เมื่ออนุภาคเหล่านี้กระทบกับใบมีด อนุภาคจะเกิดการโก่งตัว มีการเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อย แต่ส่วนน้อยที่กระทบใบมีดจะกลับมาในทิศทางตรงกันข้าม หากโมเดล "พุดดิ้งพลัม" ถูกต้องตามที่รัทเธอร์ฟอร์ดและทีมอื่นคาดไว้ก็คืออนุภาคทั้งหมด (α) ทะลุผ่านแผ่นทองคำโดยมีการเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เพราะตามทฤษฎีของ Thompson ทั้งมวลลบและก้อนเมฆบวกจะไม่มีความหนาแน่นมวลหรือประจุเพียงพอที่จะสะท้อนอนุภาค_cc781905-5cde -3194- bb3b-136bad5cf58d_(α)
ด้วยสิ่งนี้ รัทเทอร์ฟอร์ดจินตนาการว่าอะตอมจะมี บริเวณที่เล็กกว่าขนาดของอะตอมเองมาก โดยเน้นมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมไว้ตรงกลาง อะตอมจะเป็นพื้นที่ว่างขนาดใหญ่ โดยมีอิเล็กตรอนอยู่ห่างจากนิวเคลียสและมีมวลเพียงเล็กน้อย แบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ดแสดงในภาพด้านล่าง
อะตอมสมัยใหม่:( XX - XXI ):
แบบจำลองอะตอมสมัยใหม่อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับกลศาสตร์คลื่นและกลศาสตร์ควอนตัม ปฏิบัติตามและอธิบายชุดของข้อบกพร่องในแบบจำลองรัทเธอร์ฟอร์ด หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่แสดงรูปร่างที่มั่นคงและสง่างามของอะตอมคือ Niels Bohr.
แบบจำลองของ Rutherford มีความไม่สอดคล้องกันอย่างร้ายแรงบางประการในการอธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ตามกลศาสตร์คลาสสิก อนุภาคไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ควรปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้จะทำให้อิเล็กตรอนสูญเสียพลังงานจนกระทั่งชนกับนิวเคลียส กล่าวคือ โดยกลศาสตร์คลาสสิก อะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดจะไม่เสถียร
Niels Bohr ในปี 1903 สนใจที่จะอธิบายการแผ่รังสีของแสงโดยอะตอมที่ตื่นเต้น สามารถสร้างแบบจำลองอะตอมใหม่ได้ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าแหล่งกำเนิดแสงที่มองเห็นได้นั้นขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นหลัก อิเล็กตรอนในอะตอมสามารถยกจากสถานะพลังงานต่ำสุดไปยังสถานะพลังงานสูงสุดได้ด้วยวิธีต่างๆ เช่น ความร้อนหรือกระแสไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่ระดับต่ำสุดในที่สุด พวกมันจะปล่อยรังสีที่อาจอยู่ในบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม ดูด้านล่างแบบจำลองที่เสนอโดย Bohr
Bohr สรุปว่าอิเล็กตรอนไม่ปล่อยรังสีในขณะที่ยังคงอยู่ในวงโคจรเดียวกัน มันเป็นเพียงรังสีที่ปล่อยออกมาเมื่อเคลื่อนที่จากระดับพลังงานที่สูงขึ้นไปเป็นระดับพลังงานที่ต่ำกว่า .
ทฤษฎีควอนตัมทำให้เขาสามารถกำหนดแนวคิดที่แม่นยำยิ่งขึ้น: วงโคจรจะไม่อยู่ห่างจากนิวเคลียสในระยะใดๆ เลย ตรงกันข้าม มีเพียงไม่กี่วงโคจรเท่านั้น เป็นไปได้ แต่ละอันสอดคล้องกับระดับพลังงานจำเพาะของอิเล็กตรอน การเคลื่อนผ่านของอิเล็กตรอนไปสู่วงโคจรจะต้องกระทำโดยการกระโดด อิเล็กตรอนจะไม่เดินทางผ่านช่องว่างระหว่างชั้นเหล่านี้ เพราะเมื่อดูดซับพลังงานอิเล็กตรอนจะกระโดดขึ้นสู่วงโคจรภายนอกมากขึ้น (แนวคิดที่เรียกว่า Quantum Leap) และ เมื่อเปล่งแสง มันจะย้ายไปที่ภายในมากขึ้น (แนวคิดที่เรียกว่าโฟตอน) การปล่อยเหล่านี้แต่ละครั้งจะปรากฏในสเปกตรัมเป็นเส้นส่องสว่างที่วางไว้อย่างดี
ด้วยทฤษฎีทั้งหมดที่กล่าวถึงข้างต้น เช่น Blackbody Radiation, Photoelectric Effect และทฤษฎีอะตอมใหม่ของ Bohr กลศาสตร์ควอนตัมมีพื้นฐานที่ดีในแนวคิดและทฤษฎี หลังจากการค้นพบเหล่านี้ วิทยาศาสตร์ได้ใช้ทิศทางใหม่ที่นักวิทยาศาสตร์ตระหนักว่าสำหรับมาตราส่วนที่เล็กที่สุด เช่น อะตอมหรือเล็กกว่านั้น กฎของจักรวาลด้วยกล้องจุลทรรศน์นี้ถูกควบคุมโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม กฎที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงเมื่อพูดถึง จักรวาลมหภาคทุกวัน ซึ่งเราจะเห็นในรายละเอียดเพิ่มเติมว่าทฤษฎีนี้มีความต่อเนื่องกันอย่างไรและประยุกต์ใช้สาขาใด