Τι είναι η ατομική θεωρία του Bohr;

Η Ατομική Θεωρία του Niel Bohr δηλώνει ότι - ένα άτομο είναι σαν ένα πλανητικό μοντέλο όπου τα ηλεκτρόνια βρίσκονταν σε τροχιές με διακριτική ενέργεια. Το άτομο θα ακτινοβολούσε ένα φωτόνιο όταν ένα διεγερμένο ηλεκτρόνιο θα πηδούσε κάτω από μια υψηλότερη τροχιά σε μια χαμηλότερη τροχιά. Η διαφορά μεταξύ των ενεργειών αυτών των τροχιών θα ήταν ίση με την ενέργεια του φωτονίου.

Ο Niels Bohr ήταν Δανός φυσικός και θεωρείται ένας από τους ιδρυτές της κβαντικής μηχανικής, ακριβώς παλιά κβαντική μηχανική. Για την υποδειγματική συνεισφορά του στην επιστήμη, η ζυθοποιία Carlsberg αποφάσισε να του παραχωρήσει ένα σπίτι που βρίσκεται ακριβώς δίπλα σε ένα από τα ζυθοποιεία της. Το σπίτι συνδεόταν με το ζυθοποιείο με αγωγό. Ο Μπορ ανταμείφθηκε με μια δωρεάν μπύρα για όλη τη ζωή που θα ξεχυόταν από μια βρύση κατά την ιδιοτροπία του. Ποιο εξαιρετικό κατόρθωμα κατόρθωσε ο Niels Bohr για να του αξίζει αυτή η διάσημη τιμή και, λοιπόν, ένα βραβείο Νόμπελ;

Ο Νιλς Μπορ. (Πίστωση φωτογραφίας:Δημόσιος τομέας / Wikimedia Commons)

Πολύ απλά, ο Niels Bohr φώτισε τη μυστηριώδη εσωτερική λειτουργία του ατόμου. Παρόλο που έφτασε στο μοντέλο του και τις αρχές του σε συνεργασία με τον αύγουστο ιδρυτή του ατομικού πυρήνα, Έρνεστ Ράδερφορντ, το μοντέλο πιστώνεται μόνο στον Μπορ. Αρχικά ονομαζόταν ατομικό μοντέλο Rutherford-Bohr, τώρα αναφέρεται συνήθως ως ατομικό μοντέλο του Bohr.

Για να κατανοήσουμε τη θεωρία του Bohr, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε ποιες προηγούμενες ανακαλύψεις τον οδήγησαν να ακολουθήσει τις επαναστατικές του ιδέες.

Το αποτυχημένο μοντέλο του Rutherford

Ήταν ο Sir J.J. Thomson που ανακάλυψε για πρώτη φορά ότι το άτομο δεν ήταν τελικά αδιαίρετο, μια ιδέα που πιστεύεται ότι ισχύει για αιώνες. Ωστόσο, το υποατομικό σωματίδιο που ανακάλυψε ήταν αρνητικά φορτισμένο. Αν τα άτομα ήταν απλώς ένα σύμπλεγμα αρνητικών φορτίων, τότε οι καρέκλες, τα τραπέζια, εσύ κι εγώ θα ήμασταν κάθε άλλο παρά σταθεροί. Αμέσως κατάλαβε ότι για να ληφθεί υπόψη η σταθερότητα της ύλης, πρέπει να υπάρχει ένα καθαρό θετικό φορτίο για να εξουδετερωθεί η αρνητικότητα.

Ο Thomson επινόησε αυτό που έγινε το πρώτο μοντέλο ατόμου. Πρότεινε ότι τα αρνητικά σωματίδια, τα οποία ονόμασε ηλεκτρόνια, ήταν σαν σπόροι ενσωματωμένοι σε ένα θετικά φορτισμένο καρπούζι. Το μοντέλο είναι ευρέως γνωστό ως δαμάσκηνο ή μοντέλο σταφίδας . Είμαι βέβαιος ότι η αναλογία είναι προφανής.

Αυτή η άποψη ίσχυε έως ότου ο Έρνεστ Ράδερφορντ έδειξε ότι όταν τα θετικά σωματίδια εκτοξεύονται σε ένα άτομο, τα περισσότερα από αυτά περνούν κατευθείαν, αλλά μερικά παρατηρείται ότι εκτρέπονται σε μεγάλη γωνία. Ο Ράδερφορντ συνειδητοποίησε ότι το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου ήταν γεμάτο με κενό χώρο, αλλά στο κέντρο υπήρχε μια πυκνή, σημειακή συγκέντρωση θετικού φορτίου. Ονόμασε αυτό τον πυρήνα του ατόμου. Ο όγκος του κενού χώρου μεταξύ των ηλεκτρονίων ενός ατόμου και του πυρήνα του είναι τόσο τεράστιος που αν το άτομο διευρυνόταν στο μέγεθος ενός σταδίου του μπέιζμπολ, ο πυρήνας του θα είχε το μέγεθος μιας μπάλας του μπέιζμπολ.

Ο Ράδερφορντ πρότεινε ότι ίσως το ατομικό σύστημα ήταν ανάλογο με το Ηλιακό μας Σύστημα, όπου τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα όπως οι πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο. Η κρίσιμη διαφορά ήταν, φυσικά, ότι τα ηλεκτρόνια αιχμαλωτίστηκαν από την ηλεκτροστατική δύναμη και όχι από τη βαρύτητα. Ωστόσο, ο Maxwell και ο Hertz θα διαφωνούσαν έντονα.

Το πλανητικό μοντέλο του Ράδερφορντ.

Οι νόμοι του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό είχαν πρόσφατα αποδείξει ότι η κίνηση ενός φορτισμένου σωματιδίου, όπως ένα ηλεκτρόνιο, έρχεται σε βάρος της ενέργειας. Έτσι, ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρόνιο, όπως οι άντρες του τσίρκου με μοτοσικλέτες που τρέχουν μέσα σε μια σφαίρα, σύντομα θα στροβιλιζόταν και θα κατέρρεε καθώς τελείωσε το καύσιμο. Στην πραγματικότητα, οι φυσικοί υπολόγισαν ότι θα χρειαζόταν μόλις 16 πικοδευτερόλεπτα για ένα ηλεκτρόνιο να ακτινοβολήσει όλη του την ενέργεια και να καταρρεύσει στον πυρήνα του. Αυτό είναι ένα τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου. Ένα νέο ατομικό μοντέλο που θα εξηγούσε τη βαθιά σταθερότητα της ύλης δεν είχε ακόμη ανακαλυφθεί.

Το φάσμα του υδρογόνου

Ένας άλλος παραλογισμός που προκάλεσε αμηχανία στους φυσικούς εκείνη την εποχή ήταν η ακτινοβολία του μαύρου σώματος του Planck και το «φάσμα εκπομπής» που εκπέμπεται από διαφορετικά άτομα. Η λέξη «φάσμα» επινοήθηκε για πρώτη φορά από τον Νεύτωνα για να περιγράψει το ουράνιο τόξο των χρωμάτων που ξεπήδησε από το πρίσμα του.

Ομοίως, όταν ένα σώμα θερμαίνεται, ακτινοβολεί ένα φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Εάν κάψετε μια ράβδο σιδήρου με φυσητήρα, θα παρατηρήσετε ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία της ράβδου, το χρώμα που παίρνει θα αλλάζει επίσης σταδιακά. Πρώτα, είναι κόκκινο, μετά πορτοκαλί και μετά έντονο λευκό πριν στρίψει προς το βιολετί.

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.

Αυτό συμβαίνει επειδή η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που ακτινοβολείται από αυτή τη σιδερένια ράβδο πέφτει στο εύρος του ορατού φωτός – φως που μπορούν να ανιχνεύσουν τα μάτια μας. Εάν θερμαίνατε τη ράβδο στα 20.000 Kelvin, η ενέργεια που εκπέμπεται θα ήταν στην περιοχή υπεριώδους (UV). Στην πραγματικότητα, κάθε αντικείμενο στο Σύμπαν ακτινοβολεί ένα τέτοιο φάσμα ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, αλλά επειδή η θερμοκρασία του σώματός μας είναι τόσο χαμηλή, η ενέργεια που εκπέμπεται είναι επίσης πενιχρή, κάπου στην περιοχή του υπέρυθρου φωτός. Τα μάτια μας είναι εξοπλισμένα με αισθητήρες που μπορούν να αναγνωρίσουν μόνο ένα μέλος μεταξύ των πολλών μελών του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Ο Μαξ Πλανκ ονόμασε αυτό το φαινόμενο ακτινοβολία μαύρου σώματος. Αν σχεδιάζατε την ένταση της θερμότητας με το μήκος κύματος του φωτός που ακτινοβολείται, θα παρατηρούσατε μια κορυφή σε ένα συγκεκριμένο εύρος μηκών κύματος. Η κορυφή για τον πυρήνα του Ήλιου που καίει στα 6.000 K βρίσκεται εν μέρει στο ορατό εύρος, ενώ για ένα αστέρι που καίει στα 20.000 K, βρίσκεται πλήρως στην περιοχή UV και για μια αστρική έκρηξη, όπως η γέννηση μιας μαύρης τρύπας, βρίσκεται στο εύρος γάμμα.

Ακτινοβολία μαύρου σώματος

Επιπλέον, το γράφημα απεικονίζει ότι καθώς η θερμοκρασία ενός σώματος μειώνεται, το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπει αυξάνεται. Για παράδειγμα, η ακτινοβολία από τη Μεγάλη Έκρηξη μπορεί να ξεκίνησε ως ακτίνες γάμμα, αλλά καθώς ψύχθηκε για περισσότερα από 13 δισεκατομμύρια χρόνια, τα μήκη κύματος επιμηκύνθηκαν σε μικροκύματα. Αν σχεδιάζατε αυτά τα κύματα σε μαύρο φόντο, θα γίνατε μάρτυρες μιας όμορφης, μουντής σύνθεσης χρωμάτων – ενός συνεχούς φάσματος.

Ένα συνεχές φάσμα. (Φωτογραφία:Stkl / Wikimedia Commons)

Ωστόσο, η κύρια συνέπεια του ευρήματος του Planck ήταν ότι η ακτινοβολούμενη ενέργεια ταξίδευε σε διακριτά πακέτα, σαν άκαμπτα σωματίδια, τα οποία ο Αϊνστάιν αργότερα ονόμασε φωτόνια. Η ενέργεια ενός μόνο κβαντικού είναι αντιστρόφως ανάλογο του μήκους κύματός του ή ευθέως ανάλογο με τη συχνότητά του. Με μια θεμελιώδη σταθερά αναλογικότητας που ονομάζεται σταθερά του Planck, h , η ενέργεια E για μια συχνότητα v μπορεί να εκφραστεί ως E =hv.

Τώρα, αν θερμαίνατε έναν όγκο αερίου ενός μεμονωμένου στοιχείου με αυτόν τον τρόπο και σχεδιάζατε τα χρώματα σε μαύρο φόντο, θα παρατηρούσατε κάτι σαν ανωμαλία. Το φάσμα δεν είναι πλέον ένα όμορφο ή συνεχές μείγμα χρωμάτων. Αντίθετα, περιλαμβάνει μια σειρά από συγκεκριμένες, μονόχρωμες γραμμές που χωρίζονται κατά διαστήματα από κομμάτια του απόλυτα μαύρου φόντου. Για παράδειγμα, ρίξτε μια ματιά στο πάντα διάσημο φάσμα του υδρογόνου.

Φάσμα υδρογόνου. (Φωτογραφία:Patrick Edwin Moran / Wikimedia Commons)

Στην πραγματικότητα, κάθε στοιχείο στο Σύμπαν ζωγραφίζει το δικό του μοναδικό, ασυνεχές φάσμα. Ενώ το φάσμα του υδρογόνου βρίσκεται στο ορατό εύρος, ορισμένα στοιχεία παράγουν ένα φάσμα που βρίσκεται στην υπεριώδη ή υπέρυθρη περιοχή. Για το λόγο αυτό, το φάσμα ενός στοιχείου θεωρείται το δακτυλικό του αποτύπωμα. Η γνώση της μοναδικότητάς του μας επιτρέπει να μελετήσουμε τη σύνθεση των άστρων και έχει βοηθήσει ακόμη και τους επιστήμονες να ανακαλύψουν νέα στοιχεία!

Κοιτάζοντας το φάσμα του υδρογόνου, ήταν προφανές ότι μόνο ορισμένα χρώματα εμφανίζονταν επειδή μόνο ορισμένες συχνότητες - αυτές που σχετίζονται με αυτά τα χρώματα - ακτινοβολούνταν. Δεδομένου αυτού, γιατί τα άτομα να παρουσιάζουν αυτή την περίεργη συμπεριφορά; Ποια ατομική δομή θα τους περιόριζε τόσο σοβαρά ώστε να εκφράζονται τόσο λακωνικά; Ο Niels Bohr, το 1913, κατάλαβε τελικά γιατί.

Το ατομικό μοντέλο του Bohr

Ο Bohr προχώρησε με το μοντέλο του ηλιακού συστήματος του Rutherford, αλλά πρόσθεσε μια μικρή προσαρμογή. Διόρθωσε την αστοχία του προτείνοντας (για έναν λόγο που δεν είναι ακόμη γνωστός) ότι τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από έναν πυρήνα σε σταθερές ή καθορισμένες τροχιές. Ισχυρίστηκε ότι σε αυτές τις τροχιές, τα ηλεκτρόνια δεν θα έχαναν καμία ενέργεια, διασφαλίζοντας επομένως ότι δεν θα καταρρεύσουν στον πυρήνα.

Ο Μπορ ονόμασε αυτές τις σταθερές τροχιές «στάσιμες τροχιές». Ισχυρίστηκε ότι οι τροχιές δεν ήταν τυχαία τοποθετημένες, αλλά αντίθετα βρίσκονταν σε διακριτές αποστάσεις από τον πυρήνα στο κέντρο και ότι καθεμία από αυτές συσχετίστηκε με σταθερές ενέργειες. Εμπνευσμένος από τη θεωρία του Planck, χαρακτήρισε τις τροχιές με n, και το ονόμασαν κβάντο αριθμός.

Στατική τροχιά του Μπορ. (Φωτογραφία:Brighterorange / Wikimedia Commons)

Όσο παράλογη κι αν φαινόταν η θεωρία, προέβλεψε υπέροχα το φάσμα του υδρογόνου. Σύμφωνα με αυτήν, όταν ένα αέριο θερμαίνεται, τα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια του μεταπηδούν από μια τροχιά χαμηλότερης ενέργειας σε μια τροχιά υψηλότερης ενέργειας (στην περίπτωση του υδρογόνου, από n =1 σε n =2). Ωστόσο, για να ανακτήσουν τη σταθερότητα, πρέπει να πηδήξουν πίσω στις χαμηλότερες ενεργειακές τροχιές. Κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης, το ηλεκτρόνιο πρέπει να χάσει μέρος της ενέργειάς του και είναι αυτή η ενέργεια που ακτινοβολείται με τη μορφή φωτός!

Η διακριτή φύση των τροχιών παρέχει μια συνοπτική εξήγηση για τη διακριτή φύση των φωτονίων. Ο Bohr διαπίστωσε ότι η ενέργεια ενός εκπεμπόμενου φωτονίου είναι ίση με τη διαφορά των ενεργειών των δύο επιπέδων μεταξύ των οποίων το ηλεκτρόνιο κάνει το άλμα του. Για παράδειγμα, το υπέρυθρο ακτινοβολείται όταν το ηλεκτρόνιο κάνει ένα σύντομο άλμα, ενώ το υπεριώδες ακτινοβολείται όταν κάνει ένα πολύ μεγαλύτερο άλμα. Αυτή η σχέση μπορεί απλά να εκφραστεί ως E2 – E1 =hv. Αντίθετα, ένα ηλεκτρόνιο πηδά σε υψηλότερη τροχιά όταν απορροφά ένα φωτόνιο.

Ένα φωτόνιο απελευθερώνεται όταν ένα ηλεκτρόνιο πηδά κάτω από μια υψηλότερη τροχιά σε μια χαμηλότερη τροχιά. (Φωτογραφία:Brighterorange / Wikimedia Commons)

Το φάσμα ενός ατόμου περιορίζεται σε συγκεκριμένα χρώματα επειδή η συγκεκριμένη, οργανωμένη δομή του επιτρέπει στα ηλεκτρόνια του μόνο σε ορισμένες ενεργειακές μεταβάσεις – και επομένως σε ορισμένες συχνότητες φωτός. Τώρα, εάν ένα άτομο υδρογόνου περιέχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο, γιατί το φάσμα του αποτελείται από πολλά χρώματα; Λοιπόν, αυτό συμβαίνει επειδή το αέριο αποτελείται από εκατομμύρια και δισεκατομμύρια άτομα με ηλεκτρόνια ανυψωμένα σε διαφορετικές τροχιές που είναι υψηλότερες ή χαμηλότερες από εκείνες που βρίσκονται κοντά.

Έτσι, αυτό ήταν το μοντέλο του Bohr - ένα πλανητικό μοντέλο όπου τα ηλεκτρόνια βρίσκονταν σε τροχιές με διακριτική ενέργεια. Το άτομο θα ακτινοβολούσε ένα φωτόνιο όταν ένα διεγερμένο ηλεκτρόνιο θα πηδούσε κάτω από μια υψηλότερη τροχιά σε μια χαμηλότερη τροχιά. Η διαφορά μεταξύ των ενεργειών αυτών των τροχιών θα ήταν ίση με την ενέργεια του φωτονίου.

Ελλείψεις

Δυστυχώς, το μοντέλο του Bohr μπορούσε να εξηγήσει μόνο τη συμπεριφορά ενός συστήματος όπου δύο φορτισμένα σημεία περιφέρονταν το ένα γύρω από το άλλο. Αυτό σήμαινε το άτομο υδρογόνου, συγκεκριμένα. Περιλάμβανε επίσης ιονισμένο ήλιο (το ήλιο έχει δύο ηλεκτρόνια, άρα ο ιονισμός θα καταλάμβανε ένα από αυτά, αφήνοντάς του μόνο ένα) ή διπλό ιονισμένο λίθιο (το λίθιο έχει τρία ηλεκτρόνια… κάνετε τα μαθηματικά). Η θεωρία του δεν μπορούσε να εξηγήσει τη συμπεριφορά κανενός άλλου ατόμου εκτός από το υδρογόνο.

Το μοντέλο του Bohr θα μπορούσε μόνο να εξηγήσει τη συμπεριφορά ενός συστήματος όπου δύο φορτισμένα σημεία περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο. Αυτό σήμαινε συγκεκριμένα το άτομο υδρογόνου.

Επιπλέον, η θεωρία του υπαγόρευσε ότι τα ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζονται στις σταθερές τροχιές σαν σφαιρίδια σε ένα νήμα, που σημαίνει ότι είχε υποθέσει ένα μη αλληλεπιδραστικό σύστημα ηλεκτρονίων. Αυτό μειώνει φρικτά τη βίαια απωστική ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ όχι μόνο δύο, αλλά πολλών ηλεκτρονίων συγκεντρωμένων μεταξύ τους που θα έσπρωχναν το ένα το άλλο μίλια μακριά. Τελικά, ανακαλύψαμε ότι τα ηλεκτρόνια δεν περιστρέφονται απλώς, αλλά και περιστρέφονται ή περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους. Το μοντέλο του Bohr δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί αυτό δεν οδήγησε σε απώλεια ενέργειας.

Εικάζεται ότι μέρος του λόγου για τον οποίο η θεωρία του Bohr έγινε τόσο εύκολα αποδεκτή είναι ότι έκανε επιτυχημένες θεωρητικές προβλέψεις πολλαπλών φασμάτων που δεν είχαν παρατηρηθεί. Ωστόσο, επαινείται ευρέως, καθώς έφερε επανάσταση στη σύγχρονη φυσική ανοίγοντας το δρόμο για τη σύγχρονη κβαντική μηχανική. Τελικά, η σύγχρονη κβαντομηχανική εξήγησε τέλεια την πραγματική φύση των ενεργειακών κελυφών, τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια θα κατοικούσαν σε καθένα από αυτά, καθώς και το πρόβλημα του σπιν.

Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, δεν μπορεί κανείς να προσδιορίσει την ακριβή θέση ενός ηλεκτρονίου σε ένα ενεργειακό κέλυφος. Είναι μάλλον πιο πιθανό να βρεθεί σε ένα κοχύλι. Εδώ φαίνεται το πρώτο ενεργειακό κέλυφος όπου η πυκνότητα του μπλε αυξάνεται προοδευτικά καθώς προχωράμε προς το κέντρο. Δείχνει ότι το ηλεκτρόνιο είναι πιθανότερο να βρεθεί κοντά στον πυρήνα.

Ωστόσο, για την απλότητά του, οι ιδέες του Bohr εξακολουθούν να υπάρχουν και να κυριαρχούν στη φυσική του γυμνασίου. Τα σχολικά βιβλία είναι γεμάτα με ομόκεντρους κύκλους γεμάτους με ηλεκτρόνια που περιβάλλουν έναν πυρήνα, που μοιάζει με το μοντέλο σφαιριδίων σε νήμα. Για τη συνεισφορά του, ο Bohr σίγουρα άξιζε αυτή τη δωρεάν μπύρα τελικά. Και φυσικά… βραβείο Νόμπελ.