Вы можете поискать изображение атома в Интернете, и вы найдете его, хотя никто раньше не видел атома. Но у нас есть оценка того, как выглядит отдельный атом, благодаря работе группы разных ученых, таких как датский физик Нильс Бор.
Атомы являются строительными блоками материи. Отдельный атом любого отдельного элемента является самой основной сущностью в природе, которая по-прежнему подчиняется законам физики, которые мы можем наблюдать в повседневной жизни (субатомные частицы, из которых состоят атомы, свои особые правила). Ученые подозревали, что атомы существовали задолго до того, как они смогли осмыслить их структуру - даже древние греки полагали, что материя Вселенной состоит из компонентов настолько маленьких, что их нельзя разбить на что-то еще меньшее, и они назвали эти фундаментальные единицы атомосом., что означает «нераздельный»." К концу 19 века стало понятно, что химические вещества можно разложить на атомы, которые были очень малы, а атомы различных элементов имели предсказуемый вес.
Но затем, в 1897 году, британский физик Дж. Дж. Томсон открыл электроны - отрицательно заряженные частицы внутри атомов, в которые все большую часть столетия верили, что они полностью неделимы, - как мельчайшие из существующих вещей. Томсон только что выдвинул гипотезу о существовании электронов, но не мог точно понять, как электроны встраиваются в атом. Его лучшим предположением была «модель сливового пудинга», в которой атом изображался как положительно заряженный пирог, усеянный отрицательно заряженными областями, разбросанными повсюду, как фрукты в старинном десерте..
«Обнаружено, что электроны обладают отрицательным электрическим зарядом, имеют одинаковую массу и очень малы по сравнению с атомами», - говорит Дадли Хершбах, химик из Гарварда, получивший Нобелевскую премию по химии в 1986 году за свой «вклад в изучение динамика химических элементарных процессов», в электронном письме.«Эрнест Резерфорд открыл ядро в 1911 году. Ядра были положительными электрическими, с различной массой, но намного больше, чем электроны, но очень малы по размеру».
Гигантский скачок вперед
Нильс Бор был учеником Резерфорда, который отважно взялся за проект своего наставника по расшифровке структуры атома в 1912 году. Ему потребовался всего год, чтобы разработать рабочую модель атома водорода.
«Модель Бора 1913 года для атома водорода имела круговые орбиты электронов вокруг протона - как орбиты Земли вокруг Солнца», - говорит Хершбах. «Бор использовал простую и регулярную картину спектра атома водорода, которая была открыта Иоганном Бальмером в 1885 году. Он также использовал идею квантовой идеи, открытую Максом Планком в 1900 году».
В 1913 году модель Бора стала гигантским скачком вперед, потому что она включила в описание атомов и молекул черты новорожденной квантовой механики. В том же году он опубликовал три статьи о строении атомов и молекул: первая и самая известная была посвящена атому водорода, а две другие описывали некоторые элементы с большим количеством электронов, используя его модель в качестве основы. В предложенной им модели атома водорода электроны двигались вокруг ядра, но только по особым траекториям с разными уровнями энергии. Бор выдвинул гипотезу, что свет испускается, когда электрон перескакивает с более высокой энергии на более низкоэнергетическую - именно это заставляет водород светиться в стеклянной трубке. Он правильно понял водород, но его модель была немного глючной.
" Модель не смогла правильно предсказать значения энергий основного состояния многоэлектронных атомов и энергий связи молекул - даже для простейших двухэлектронных систем, таких как атом гелия или молекула водорода. », - говорит Анатолий Свидзинский, профессор Института квантовых наук и инженерии Техасского университета A&M, в интервью по электронной почте. «Итак, уже в 1913 году было ясно, что модель Бора не совсем верна. Даже для атома водорода модель Бора неверно предсказывает, что основное состояние атома обладает ненулевым орбитальным угловым моментом."
Нобелевская премия 1922 года
Что, конечно, может не иметь большого смысла для вас, если вы не квантовый физик. Однако модель Бора быстро получила Нобелевскую премию по физике в 1922 году. Но пока Бор укреплял свою репутацию в мире физики, ученые улучшали его модель:
«Модель атома водорода Бора была улучшена Арнольдом Зоммерфельдом в 1916 году», - говорит Хершбах. «Он обнаружил эллиптические орбиты, которые объясняют спектральные линии рядом с теми, которые пришли с круговых орбит. Модель Бора-Зоммерфельда для атома водорода является базовой, но квантовая теория и теория относительности стали основными аспектами».
В период с 1925 по 1928 год Вернер Гейзенберг, Макс Борн, Вольфганг Паули, Эрвин Шредингер и Поль Дирак разработали эти аспекты далеко за пределы атомной модели Бора, но его модель атома на сегодняшний день является наиболее признанной. Атомные модели, которые дала нам квантовая физика, меньше похожи на солнце, окруженное электронными планетами, и больше на современное искусство. Вероятно, мы все еще используем модель Бора, потому что это хорошее введение в концепцию атома.
«В 1913 году модель Бора продемонстрировала, что квантование - правильный путь в описании микромира», - говорит Свидзинский. "Таким образом, модель Бора указала ученым направление поиска и стимулировала дальнейшее развитие квантовой механики. Если ты знаешь путь, то рано или поздно ты найдешь правильное решение проблемы. Модель Бора можно рассматривать как одну из указатели направления вдоль пешеходной тропы в квантовый мир."
Интересно
Отец Нильса Бора, Кристиан Бор, был номинирован на три разные Нобелевские премии в области физиологии медицины, но так и не получил ее.