Ηλεκτρόνιο σε τροχιακό
Προτού μάθουμε ποιος ήταν ο πρώτος που σκέφτηκε να βρει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα τροχιακό και πώς να το βρει, πρέπει πρώτα να καταλάβει τι είναι τα τροχιακά. Ένα τροχιακό είναι ένα επίπεδο ενέργειας στο οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να τοποθετηθούν.
Τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο επειδή τείνουν να καταλαμβάνουν τον διαθέσιμο εξωτερικό χώρο – αυτά με περισσότερο αρνητικό φορτίο από το θετικό θα αποδώσουν περισσότερους χώρους με ένα καθαρό θετικό σύνολο των φορτίων αυτής της ομάδας και λιγότερα από τα φορτία των άλλων ομάδων.
Ιστορία των τροχιών
Οι αρχαίοι Έλληνες ανακάλυψαν ότι αν μια μαγνητική δύναμη ρέει γύρω από έναν κύκλο, θα μπορούσε κανείς να πάρει δύο κύκλους ίδιου μεγέθους αλλά να φέρει αντίθετους πόλους. Έτσι, μια από τις απαντήσεις στην ερώτηση "ποιος ήταν ο πρώτος που σκέφτηκε να βρει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα τροχιακό;" μπορεί να είναι οι Έλληνες. Αλλά δεν είναι μόνο αυτό!
Ερμηνεία της Κοπεγχάγης
Η ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής της Κοπεγχάγης χρησιμοποιεί την τροχιακή υπόθεση για να εξηγήσει πού πηγαίνουν τα ηλεκτρόνια όταν αφήνουν ένα άτομο. Εξηγεί την εκπομπή φωτονίων όταν συμβαίνει μια τέτοια κίνηση. Ωστόσο, αυτή η θεωρία δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν συγκεκριμένους τροχιακούς χώρους.
Τζον Μπαρντίν
Ο Αμερικανός φυσικός John Bardeen είχε προτείνει στη θεωρία του ότι ένα ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να καταλάβει δύο διαφορετικά τροχιακά ταυτόχρονα - ένα από μόνο του και ένα άλλο με το αντίστοιχο ηλεκτρόνιό του να το επικαλύπτει σε ένα άλλο τροχιακό.
Τα ηλεκτρόνια έλκονται μεταξύ τους
Τα ηλεκτρόνια προτιμούν έντονα να καταλαμβάνουν το ίδιο τροχιακό ως πανομοιότυπο εταίρο καθώς έλκονται το ένα από το άλλο. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια πρέπει να έχουν διαφορετικές μάζες και σπιν για να συμβεί αυτό.
Τα ηλεκτρόνια μπορεί να βρίσκονται στο ίδιο σημείο και σε διαφορετικά σημεία την ίδια στιγμή
Οι παραπάνω αναφορές δείχνουν ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλαμβάνουν δύο διαφορετικά τροχιακά ταυτόχρονα, όπως το πώς δύο μπάλες μπορούν να βρίσκονται στην ίδια θέση αλλά να καταλαμβάνουν δύο διαφορετικά σημεία ταυτόχρονα.
Τα τροχιακά φιλοξενούν περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια
Καθώς τα ηλεκτρόνια δεν μένουν στα τροχιακά τους αλλά αντιθέτως πηδούν μεταξύ τους, επομένως τα τροχιακά φιλοξενούν περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια τη φορά. Αυτό το συμπέρασμα κατέληξε μετά από πειράματα σε συμπύκνωμα Bose-Einstein, τα οποία έδειξαν πώς δύο σωματίδια μπορούν να καταλαμβάνουν ταυτόχρονα τον ίδιο χώρο.
Επίσης, μια μελέτη που δημοσιεύτηκε από επιστήμονες από το Imperial College του Λονδίνου, υποστηρίζει αυτή την ιδέα των κοινών τροχιακών. Σύμφωνα με τη θεωρία τους, έχουν επιβεβαιώσει ότι τα τροχιακά ηλεκτρονίων μπορούν να καταλαμβάνουν τον ίδιο χώρο το ένα με το άλλο.
Ποιος ήταν ο πρώτος που σκέφτηκε να βρει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα τροχιακό;
Μερικοί έχουν καταλήξει στην ιδέα των ηλεκτρονίων που καταλαμβάνουν τροχιακά. Η ιδέα προέκυψε από το προ-κβαντικό μοντέλο της ατομικής δομής, όπου τα ηλεκτρόνια κινούνταν σε ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα.
Ο Niels Bohr ήταν το πρώτο άτομο που πρότεινε μια συγκεκριμένη θέση για κάθε ηλεκτρόνιο. Αυτό το έκανε χρησιμοποιώντας την «ατομική θεωρία» του. Ο Erwin Schrödinger είχε τροποποιήσει την κβαντική θεωρία του Max Planck για να σχηματίσει αυτό που σήμερα είναι γνωστό ως κβαντική μηχανική.
Ο Louis de Broglie έκανε τα πρώτα πειράματα που αντιμετώπιζαν σοβαρά την ιδέα των ηλεκτρονίων που καταλαμβάνουν τροχιακά στις αρχές της δεκαετίας του 1920. Αυτά τα πειράματα ξεκίνησαν εξετάζοντας τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου της ύλης και πώς το μήκος κύματος των ηλεκτρονίων ήταν μεγαλύτερο από την τροχιακή τους ακτίνα.
Η εργασία του De Broglie περιελάμβανε τον υπολογισμό του τι θα συνέβαινε εάν ένα ηλεκτρόνιο μπορούσε να τοποθετηθεί σε ένα συγκεκριμένο ενεργειακό επίπεδο και στη συνέχεια να βρει πού θα τελείωνε αφού διανύσει μια συγκεκριμένη απόσταση.
Αργότερα, ο Paul Dirac σκέφτηκε την ιδέα το 1928. Εργαζόταν για την ανάπτυξη μιας σχετικιστικής κβαντικής θεωρίας του ηλεκτρονίου και είχε δημιουργήσει την έννοια της αντιύλης για να εξηγήσει τη συμπεριφορά της. Υπέθεσε ότι το ηλεκτρόνιο έχει μια ορισμένη πιθανότητα να βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη θέση αντί να βρίσκεται σε ένα σημείο.
Αφού σκέφτηκε την ιδέα της αντιύλης, ο Dirac προσπάθησε να αναπτύξει μια σχετικιστική θεωρία για να περιγράψει τη συμπεριφορά ενός ηλεκτρονίου. Αντί να ταξιδεύουν τα ηλεκτρόνια σε τροχιές γύρω από έναν πυρήνα, ο Dirac πρότεινε ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα, κάτι που αργότερα αποδείχθηκε από πειράματα που διεξήχθησαν το 2013.
Η ιδέα της κοινής χρήσης τροχιακών προέκυψε για δύο βασικούς λόγους:
1) Για να κάνουμε δύο ηλεκτρόνια στο ίδιο τροχιακό να έχουν την ίδια ενέργεια.
2) Για να βοηθήσετε διαφορετικά ηλεκτρόνια να καταλάβουν το ίδιο τροχιακό.
Συμπέρασμα:
Πολλοί είχαν την ιδέα να βρουν ένα ηλεκτρόνιο σε ένα τροχιακό. Από τους αρχαίους Έλληνες μέχρι τον Bohr, από τον De Broglie μέχρι τον Dirac, όλοι είχαν συμβάλει σημαντικά στην έρευνα σχετικά με την κίνηση των ηλεκτρονίων και τη μετατόπισή τους του χώρου.
