Aatomiteooria on viimase tuhande aasta jooksul jõudnud kaugele. Alustades 5. sajandist eKr koos Democrituse teooriaga jagamatutest „korpustest“, mis interakteeruvad üksteisega, liikudes seejärel 18. sajandil Daltoni aatomimudelile ja arenedes 20. sajandil läbi aatomiaatomite osakeste ja kvantteooria avastamise, avastusretk on olnud pikk ja keerukas.
Vaieldamatult on üheks olulisemaks verstapostiks teel olnud Bohri aatomimudel, mida mõnikord nimetatakse ka Rutherford-Bohri aatomimudeliks. Taani füüsiku Niels Bohri poolt 1913. aastal väljapakutud kujul kujutab see mudel aatomit väikese positiivse laenguga tuumana, mida ümbritsevad elektronid, mis liiguvad ringjoonelistel orbiitidel (mis on määratletud nende energiatasemega) keskpunkti ümber.
Aatomiteooria 19. sajandini:
Varasemad teadaolevad aatomiteooria näited pärinevad Vana-Kreekast ja Indiast, kus sellised filosoofid nagu Democritus postuleerisid, et kogu mateeria koosneb pisikestest, jagamatutest ja hävimatutest ühikutest. Mõiste “aatom” loodi antiikses Kreekas ja see ajendas “atomismi” tuntud mõttekooli. See teooria oli siiski pigem filosoofiline kui teaduslik kontseptsioon.
Alles 19. sajandil muudeti aatomite teooria teaduslikuks küsimuseks, viies läbi esimesed tõenduspõhised katsed. Näiteks 1800-ndate alguses kasutas inglise teadlane John Dalton aatomi mõistet, et selgitada, miks keemilised elemendid reageerisid teatud jälgitavatel ja etteaimatavatel viisidel. Gaasidega seotud katsete seeria käigus arendas Dalton välja nn Daltoni aatomiteooria.
See teooria laiendas massi ja kindlate proportsioonide vestluse seadusi ja jõudis viide eelduseni: elemendid koosnevad kõige puhtamas olekus osakestest, mida nimetatakse aatomiteks; konkreetse elemendi aatomid on kõik samad, kuni viimase aatomini; Erinevate elementide aatomeid saab eristada aatommassi järgi; elementide aatomid ühinevad keemiliste ühendite moodustamiseks; aatomeid ei saa keemilises reaktsioonis luua ega hävitada, ainult rühmitus muutub kunagi.
Elektroni avastamine:
19. sajandi lõpuks hakkasid teadlased ka teoretiseerima, et aatom koosneb rohkem kui ühest põhiosast. Enamik teadlasi julges aga arvata, et see ühik on väikseima teadaoleva aatomi - vesiniku - suurus. 19. sajandi lõpuks muutuks see drastiliselt tänu teadlaste, näiteks Sir Joseph John Thomsoni tehtud uuringutele.
Katoodkiiretorusid (tuntud kui Crookes 'Tube) kasutavate katseseeriate abil täheldas Thomson, et katoodkiired võivad elektri- ja magnetvälja abil kõrvale kalduda. Ta järeldas, et selle asemel, et koosneda valgust, koosnesid need negatiivselt laetud osakestest, mis olid 1 kord korda väiksemad ja 1800 korda kergemad kui vesinik.
See lükkas tõhusalt ümber arvamuse, et vesinikuaatom on aine väikseim ühik, ja Thompson läks kaugemale, vihjates aatomite jagamisele. Aatomi üldise laengu selgitamiseks, mis koosnes nii positiivsetest kui ka negatiivsetest laengutest, pakkus Thompson välja mudeli, mille kohaselt negatiivselt laetud “korpused” jaotataks positiivse laengu ühtlases meres - tuntud kui Plum Pudding Model.
Neid rakukesi hakatakse hiljem nimetama elektronideks, tuginedes anglo-iiri füüsiku George Johnstone Stoney poolt 1874. aastal ennustatud teoreetilisele osakesele. Ja sellest alates sündis Plum Pudding Model, mis sai selle nime, kuna see sarnanes tihedalt Inglise kõrbega, mis koosneb ploomikook ja rosinad. Selle kontseptsiooniga tutvustati maailmale Suurbritannia ajakirja 1904. aasta märtsi väljaandes Filosoofiline ajakiri, laialdasele tunnustusele.
Rutherfordi mudel:
Hilisemad katsed paljastasid Plum Puddingu mudeliga mitmeid teaduslikke probleeme. Alustuseks oli probleem näidata, et aatomil oli ühtlane positiivne taustlaeng, mida hakati nimetama “Thomsoni probleemiks”. Viis aastat hiljem lükkaksid mudeli tagasi Hans Geiger ja Ernest Marsden, kes viisid läbi rea katseid, kasutades alfaosakesi ja kuldfooliumi - aka. "kuldfooliumi eksperiment".
Selles katses mõõtsid Geiger ja Marsden fluorestsentskraani abil alfaosakeste hajutamismustrit. Kui Thomsoni mudel oleks õige, läbiksid alfaosakesed takistamatult fooliumi aatomistruktuuri. Sellegipoolest märkisid nad, et kuigi enamus tulistas otse läbi, olid mõned neist hajunud eri suundadesse, mõned aga tagasi allika suunas.
Geiger ja Marsden jõudsid järeldusele, et osakesed olid kokku puutunud elektrostaatilise jõuga, mis on palju suurem kui Thomsoni mudel võimaldab. Kuna alfaosakesed on lihtsalt heeliumi tuumad (mis on positiivselt laetud), tähendas see, et aatomi positiivne laeng ei olnud laiali hajutatud, vaid kontsentreerus väikeses koguses. Lisaks tähendas asjaolu, et need osakesed, mis ei olnud painutatud, takistusteta läbi, tähendasid, et neid positiivseid ruume eraldasid suured tühjad ruumid.
1911. aastaks tõlgendas füüsik Ernest Rutherford Geigeri-Marsdeni katseid ja lükkas tagasi Thomsoni aatomi mudeli. Selle asemel pakkus ta välja mudeli, kus aatom koosnes enamasti tühjast ruumist, kusjuures kogu selle positiivne laeng oli koondunud selle keskmesse väga väikeses ruumis, mida ümbritses elektronide pilv. Seda hakati nimetama Rutherfordi aatomi mudeliks.
Bohri mudel:
Järgnevad Antonius Van den Broeki ja Niels Bohri katsetused täpsustasid mudelit veelgi. Kui Van den Broek väitis, et elemendi aatomnumber on väga sarnane selle tuumalaenguga, siis viimane pakkus välja aatomite päikesesüsteemi-laadse mudeli, kus tuum sisaldab positiivse laengu aatomiarvu ja on ümbritsetud võrdse elektronide arv orbitaalkestades (aka. Bohri mudel).
Lisaks rafineeris Bohri mudel Rutherfordi mudeli teatud elemente, mis olid probleemsed. Nende hulka kuulusid klassikalisest mehaanikast tulenevad probleemid, mis ennustasid, et elektronid vabastavad tuuma orbiidil elektromagnetilist kiirgust. Energia kaotuse tõttu oleks elektron pidanud kiiresti sissepoole spiraalima ja tuuma varisema. Lühidalt öeldes tähendas see aatomimudel, et kõik aatomid olid ebastabiilsed.
Samuti ennustas mudel, et elektronide sissepoole keerdudes suureneb nende emissioon sagedusel kiiresti, kui orbiit muutub väiksemaks ja kiiremaks. 19. sajandi lõpus tehtud elektrilahendustega tehtud katsed näitasid aga, et aatomid eraldavad elektromagnetilist energiat ainult teatud diskreetsetel sagedustel.
Bohr lahendas selle, tehes ettepaneku, et elektronid tiirleksid ümber tuuma viisil, mis oleks kooskõlas Plancki kiirguse kvantteooriaga. Selles mudelis võivad elektronid hõivata ainult teatud kindla energiaga lubatud orbitaale. Lisaks saavad nad energiat juurde ja kaotada ainult hüpates ühelt lubatud orbiidilt teisele, neelates või eraldades selles protsessis elektromagnetilist kiirgust.
Need orbiidid olid seotud kindlate energiatega, mida ta nimetas energia kestad või energia tase. Teisisõnu, aatomi sees oleva elektroni energia ei ole pidev, vaid “kvantiseeritud”. Need tasemed on seega tähistatud kvantarvuga n (n = 1, 2, 3 jne.), mida tema sõnul võis kindlaks teha Rybergi valemi abil - see oli reegel, mille Rootsi füüsik Johannes Ryberg sõnastas 1888. aastal paljude keemiliste elementide spektraaljoonte lainepikkuste kirjeldamiseks.
Bohri mudeli mõju:
Kuigi Bohri mudel osutus mõnes mõttes murranguliseks - ühendades Rybergi konstandi ja Plancki konstandi (teise nimega kvantteooria) Rutherfordi mudeliga -, kannatas see mõnede puuduste osas, mida hilisemad katsed illustreeriksid. Alustuseks eeldas see, et elektronidel on nii teadaolev raadius kui ka orbiit - midagi sellist, mida Werner Heisenberg kümme aastat hiljem oma ebakindluse põhimõttega ümber lükkab.
Kuigi see oli kasulik elektronide käitumise ennustamiseks vesinikuaatomites, ei olnud Bohri mudel suuremate aatomite spektrite ennustamisel eriti kasulik. Nendel juhtudel, kui aatomitel on mitu elektronit, ei olnud energia tase kooskõlas Bohri ennustatuga. Samuti ei töötanud mudel neutraalsete heeliumi aatomitega.
Bohri mudel ei saanud samuti arvestada Zeemani efektiga - nähtusega, mida märkisid Hollandi füüsikud Pieter Zeeman 1902. aastal ja kus spektraaljooned jagunevad välise staatilise magnetvälja juuresolekul kaheks või enamaks. Seetõttu üritati Bohri aatomimudelil mitmeid täpsustusi teha, kuid ka need osutusid problemaatiliseks.
Lõpuks viiks see Bohri mudeli asendamiseni kvantteooriaga - kooskõlas Heisenbergi ja Erwin Schrodingeri tööga. Sellegipoolest on Bohri mudel kasulik abivahendina õpilaste tutvustamiseks moodsamatele teooriatele - näiteks kvantmehaanikale ja valentskesta kesta aatomimudelile.
See osutub ka oluliseks verstapostiks osakeste füüsika standardmudeli väljatöötamisel, mudelil, mida iseloomustavad elektronide pilved, elementaarosakesed ja määramatus.
Oleme siin ajakirjas Space Magazine kirjutanud palju huvitavaid artikleid aatomiteooria kohta. Siin on John Daltoni aatomimudel, mis on ploomi pudimismudel, mis on elektronide pilvemudel ?, kes oli Democritus? Ja mis on aatomi osad?
Astronoomiaosakonnas on sellel teemal ka mõned episoodid: Episood 138: Kvantmehaanika, Episood 139: Energiatasemed ja spektrid, Episood 378: Rutherford ja aatomid ning Episood 392: Standardmudel - Intro.
Allikad:
- Niels Bohr (1913) “Aatomite ja molekulide põhiseaduse kohta, I osa”
- Niels Bohr (1913) “Aatomite ja molekulide moodustamise kohta, II osa ainult ühte tuuma sisaldavad süsteemid”
- Entsüklopeedia Britannica: Borhi aatomimudel
- Hüperfüüsika - Bohri mudel
- Tennessee ülikool, Knoxville - Borhi mudel
- Toronto ülikool - aatomite Bohri mudel
- NASA - kujutage ette universumit - taust: aatomid ja valgusenergia
- Haridusest - Bohri mudel aatomist
