Ilgą laiką atomo sandara buvo diskusinė tema tarp fizikų, kol pasirodė danų mokslininko Nielso Bohro sukurtas modelis. Jis nebuvo pirmasis, kuris bandė apibūdinti subatominių dalelių judėjimą, tačiau būtent jo raida leido sukurti nuoseklią teoriją, leidžiančią vienu ar kitu metu numatyti elementariosios dalelės vietą.
Gyvenimo kelias
Nielsas Bohras gimė 1885 m. spalio 7 d. Kopenhagoje ir mirė 1962 m. lapkričio 18 d. Jis laikomas vienu didžiausių fizikų ir nenuostabu: būtent jam pavyko sukurti nuoseklų į vandenilį panašių atomų modelį. Pasak legendos, jis sapne matė, kaip kažkas panašaus į planetas sukasi aplink tam tikrą šviečiantį išretėjusį centrą. Tada ši sistema smarkiai susitraukė iki mikroskopinio dydžio.
Nuo to laiko Bohr sunkiai ieško būdo, kaip sapną paversti formulėmis ir lentelėmis. Atidžiai studijuodamas šiuolaikinę fizikos literatūrą, eksperimentuodamas laboratorijoje ir mąstydamas, jis sugebėjo pasiekti savotikslus. Net įgimtas drovumas nesutrukdė jam paskelbti rezultatų: jam buvo gėda kalbėti prieš didelę auditoriją, jis pradėjo sutrikti, o publika iš mokslininko paaiškinimų nieko nesuprato.
Pirmtakai
Prieš Bohrą mokslininkai bandė sukurti atomo modelį, pagrįstą klasikinės fizikos postulatais. Sėkmingiausias bandymas priklausė Ernestui Rutherfordui. Atlikęs daugybę eksperimentų, jis padarė išvadą, kad egzistuoja didžiulis atominis branduolys, aplink kurį orbitomis juda elektronai. Kadangi grafiškai toks modelis buvo panašus į Saulės sistemos struktūrą, už jo buvo sustiprintas planetinės pavadinimas.
Bet jis turėjo reikšmingą trūkumą: Rezerfordo lygtis atitinkantis atomas pasirodė nestabilus. Anksčiau ar vėliau elektronai, judėdami su pagreičiu orbitomis aplink branduolį, turėjo kristi ant branduolio, o jų energija buvo išleista elektromagnetinei spinduliuotei. Bohrui Rutherfordo modelis tapo atspirties tašku kuriant savo teoriją.
Pirmasis Boro postulatas
Pagrindinė Boro naujovė buvo atsisakymas naudoti klasikinę Niutono fiziką kuriant atomo teoriją. Ištyręs laboratorijoje gautus duomenis, jis padarė išvadą, kad toks svarbus elektrodinamikos dėsnis, kaip tolygiai pagreitintas judėjimas be banginės spinduliuotės, elementariųjų dalelių pasaulyje neveikia.
Jo apmąstymų rezultatas buvo dėsnis, kuris skamba taip: atominė sistema yra stabili tik tada, kai ji yra vienoje iš galimų stacionarių(kvantinės) būsenos, kurių kiekviena atitinka tam tikrą energiją. Šio dėsnio, kitaip vadinamo kvantinių būsenų postulatu, prasmė yra pripažinti elektromagnetinės spinduliuotės nebuvimą, kai atomas yra tokioje būsenoje. Be to, pirmojo postulato pasekmė yra energijos lygių atome pripažinimas.
Dažnio taisyklė
Tačiau buvo akivaizdu, kad atomas ne visada gali būti toje pačioje kvantinėje būsenoje, nes stabilumas neigia bet kokią sąveiką, o tai reiškia, kad joje nebūtų nei Visatos, nei judėjimo. Akivaizdus prieštaravimas buvo išspręstas antruoju Bohro atominės struktūros modelio postulatu, žinomu kaip dažnio taisykle. Atomas gali pereiti iš vienos kvantinės būsenos į kitą atitinkamai pasikeitus energijai, išspinduliuodamas arba sugerdamas kvantą, kurio energija lygi stacionarių būsenų energijų skirtumui.
Antrasis postulatas taip pat prieštarauja klasikinei elektrodinamikai. Pagal Maksvelo teoriją, elektrono judėjimo pobūdis negali turėti įtakos jo spinduliavimo dažniui.
Atominis spektras
Boro kvantinis modelis buvo įmanomas kruopščiai ištyrus atomo spektrą. Ilgą laiką mokslininkams buvo gėda, kad vietoj laukiamos ištisinės spalvų srities, gautos tiriant dangaus kūnų spektrus, atomo spektrograma buvo netolydi. Ryškių spalvų linijos nesiliejo viena į kitą, o buvo atskirtos įspūdingomis tamsiomis sritimis.
Elektronų perėjimo iš vienos kvantinės būsenos į teorijakitas paaiškino šią keistenybę. Kai elektronas perėjo iš vieno energijos lygio į kitą, kur jam reikėjo mažiau energijos, jis išspinduliavo kvantą, kuris atsispindėjo spektrogramoje. Bohro teorija iš karto parodė gebėjimą numatyti tolesnius paprastų atomų, tokių kaip vandenilis, spektro pokyčius.
Defektai
Boro teorija visiškai nesulaužė klasikinės fizikos. Ji vis dar išlaikė idėją apie elektronų orbitinį judėjimą branduolio elektromagnetiniame lauke. Kvantavimo idėja pereinant iš vienos stacionarios būsenos į kitą sėkmingai papildė planetos modelį, tačiau vis tiek neišsprendė visų prieštaravimų.
Nors Bohro modelio šviesoje elektronas negalėjo spirališkai judėti ir nukristi į branduolį, nuolat skleisdamas energiją, liko neaišku, kodėl jis negalėjo paeiliui pakilti į aukštesnius energijos lygius. Tokiu atveju visi elektronai anksčiau ar vėliau atsidurtų žemiausios energijos būsenoje, o tai sukeltų atomo sunaikinimą. Kita problema buvo atomų spektrų anomalijos, kurių teorija nepaaiškino. 1896 m. Peteris Zeemanas atliko keistą eksperimentą. Jis įdėjo atomines dujas į magnetinį lauką ir paėmė spektrogramą. Paaiškėjo, kad kai kurios spektrinės linijos suskilo į kelias. Toks poveikis nebuvo paaiškintas Bohro teorijoje.
Vandenilio atomo modelio kūrimas pagal Bohrą
Nepaisant visų savo teorijos trūkumų, Nielsas Bohras sugebėjo sukurti realų vandenilio atomo modelį. Tai darydamas jis naudojo dažnio taisyklę ir klasikos dėsniusmechanika. Bohro skaičiavimai siekiant nustatyti galimus elektronų orbitų spindulius ir apskaičiuoti kvantinių būsenų energiją pasirodė gana tikslūs ir pasitvirtino eksperimentiškai. Elektromagnetinių bangų emisijos ir sugerties dažniai atitiko tamsių tarpų vietą spektrogramose.
Taigi, naudojant vandenilio atomo pavyzdį, buvo įrodyta, kad kiekvienas atomas yra kvantinė sistema su atskirais energijos lygiais. Be to, mokslininkas sugebėjo rasti būdą, kaip suderinti klasikinę fiziką ir jo postulatus. Jame teigiama, kad kvantinė mechanika apima Niutono fizikos dėsnius. Tam tikromis sąlygomis (pavyzdžiui, jei kvantinis skaičius buvo pakankamai didelis) kvantinė ir klasikinė mechanika susilieja. Tai įrodė faktas, kad padidėjus kvantiniam skaičiui tamsių tarpų ilgis spektre sumažėjo iki visiško išnykimo, kaip ir tikėtasi Niutono sąvokų šviesoje.
Reikšmė
Atitikties principo įvedimas tapo svarbiu tarpiniu žingsniu siekiant pripažinti, kad egzistuoja speciali kvantinė mechanika. Bohro atomo modelis daugeliui tapo atspirties tašku kuriant tikslesnes subatominių dalelių judėjimo teorijas. Nielsas Bohras negalėjo rasti tikslios fizinės kvantavimo taisyklės interpretacijos, tačiau negalėjo to padaryti, nes elementariųjų dalelių banginės savybės buvo atrastos tik laikui bėgant. Louis de Broglie, papildęs Bohro teoriją naujais atradimais, įrodė, kad kiekviena orbita, anotkurią judina elektronas yra iš branduolio sklindanti banga. Šiuo požiūriu stacionarią atomo būseną imta laikyti tokia, kad ji susidaro tuo atveju, kai banga, padariusi visišką apsisukimą aplink branduolį, kartojasi.
