АТОМНІ МОДЕЛІ
Одним з найбільших внесків квантової механіки була найкраща інтерпретація явищ у найменших масштабах, відомих науці до того часу, атома. Фізиком, якому вдалося дати кількісне пояснення атому, був датчанин Нільс Бор, але щоб зрозуміти, який його внесок у структуру атома, давайте розглянемо деякі моделі, зроблені для атома, що передував йому.
Джон Далтон (1766-1844):
Джон Далтон сказав:
- Все в природі складається з атомів
- Атоми не можна створювати або знищувати. Це означає, що кількість атомів будь-якого хімічного елемента має залишатися постійним у Всесвіті з моменту його виникнення.
- Рівні атоми мають однакові властивості, а різні атоми мають різні властивості. Атоми даного елемента характеризуються їх масами. (У майбутньому доведено протилежне, атоми характеризуються атомним номером, а не їх масою).
- Атоми можуть поєднуватися і рекомбінувати один з одним, утворюючи більш стабільні структури, які називаються молекулами, які становлять основну структуру всіх речовин.
Джей Джей Томпсон (1856-1940):
Томпсон зміг визначити відношення заряду до маси катодних променів, експериментально довівши, що «промені» були зарядженими частинками. Це вважається офіційним відкриттям електрона. Назва електрон походить від грецького elektron, що означає бурштин, рослинну смолу, натерту древніми шкірою тварин, яка почала набувати здатності притягувати легкі предмети. Твердження Томпсона було першим експериментальним спостереженням електричної природи матерії. Інша частина речовини складалася з позитивної маси, яка нейтралізувала заряд електронів і робила атоми електрично нейтральними.
Саме в 1898 році Томпсон сформулював свою атомну модель, в якій атом є позитивною масою з вбудованими в неї негативними електронами. Цю модель охрестили як «Пудинг із родзинок».
Таким чином, атомна модель Томпсона представляє дві фундаментальні інновації стосо вно атома Дальтона:
- Атом має електричну характеристику.
- Атом нерозбірний, всупереч тому, що уявляли давньогрецькі мислителі та сам Джон Далтон.
Резерфорд (1871-1937):
Резерфорд використовував викиди атомів полонію разом з вченими Гейгером і Марсденом і провів один з найважливіших експериментів, намагаючись виявити правильну поведінку атомів.
Експеримент складався з випромінювача альфа-частинок (α), таких як полоній, і ці пучки частинок були запущені на дуже тонкий лист золота. Коли ці частинки потрапили на лезо, вони зазнали свого роду відхилення, небагато відхиляються, але дуже мало, що вдарилися про лезо, повернулися в протилежному напрямку. Якщо модель «Plum Pudding» була правильною, Резерфорд та решта команди очікували, що всі частинки (α) перетинають золоту пластину, зазнаючи лише незначних відхилень, оскільки за теорією Томпсона ні негативні тільця, ні позитивні хмари не мали б достатньої щільності маси чи заряду, щоб відобразити частинки. (α).
Завдяки цьому Резерфорд уявляв, що атом буде мати область, набагато меншу з а розмір самого атома, зосередивши майже всю його масу в центрі. Атом був би великим порожнім простором з електронами, віддаленими від ядра, і з практично незначною масою. Атомна модель Резерфорда показана на зображенні нижче.
Сучасний атом:(XX - XXI):
Інші більш сучасні атомні моделі, що включають хвильову механіку та квантову механіку, досягли успіху та пояснили ряд недоліків моделі Резерфорда. Одним з учених, які показали стабільну та елегантну форму атома, був Нільс Бор.
Модель Резерфорда мала серйозні невідповідності в поясненні руху електронів. Згідно з класичною механікою, рухома електрична частинка повинна безперервно випромінювати електромагнітні хвилі. Це призведе до того, що електрон втратить енергію, поки не зіткнеться з ядром, тобто за класичною механікою атом Резерфорда був би нестабільним.
Нільс Бор у 1903 році, зацікавлений у поясненні випромінювання світла збудженими атомами, зумів сформулювати нову атомну модель. Вже було відомо, що джерела видимого світла істотно залежать від руху електронів. Електрони в атомах можна підняти з їх найнижчих енергетичних станів до найвищих енергетичних станів різними методами, такими як тепло або електричний струм. Коли електрони зрештою повертаються до найнижчого рівня, вони випромінюють випромінювання, яке може бути у видимій області спектра. Нижче дивіться модель, запропоновану Бором.
Бор зробив висновок, що електрон не випромінює випромінювання, поки він залишався на тій самій орбіті, він випромінював лише тоді, коли перейшов з вищого енергетичного рівня на нижчий.
Квантова теорія дозволила йому точніше сформулювати концепцію: орбіти не будуть розташовані на жодній відстані від ядра, навпаки, можливі лише кілька орбіт, кожна з яких відповідає певному енергетичному рівню електрона. Перехід електрона на орбіту мав би здійснюватися стрибками, електрон не проходив би через простір між цими шарами, тому що, поглинаючи енергію, електрон стрибнув би на більш зовнішню орбіту (концепція називається квантовим стрибком) і , при випромінюванні він переміститься до більш внутрішнього (концепція, відома як фотон). Кожне з цих випромінювань з'являється в спектрі як добре розміщена світлова лінія.
З усіма згаданими вище теоріями, такими як випромінювання чорного тіла, фотоелектричний ефект і нова атомна теорія Бора, квантова механіка добре обгрунтована концепціями та теоріями. Після цих відкриттів наука пішла в новий напрямок, у якому вчені зрозуміли, що для найменших масштабів, таких як атом або менших за нього, закони цього мікроскопічного Всесвіту керуються законами квантової механіки, зовсім іншими законами, коли справа доходить до повсякденний, макроскопічний Всесвіт, до якого ми детальніше розберемося, яким було продовження цієї теорії і які гілки вона стосується.