Az atom szerkezete sokáig vita tárgya volt a fizikusok körében, egészen addig, amíg meg nem jelent a Niels Bohr dán tudós által megalkotott modell. Nem ő volt az első, aki megpróbálta leírni a szubatomi részecskék mozgását, de az ő fejlesztései tették lehetővé egy olyan következetes elmélet megalkotását, amely képes megjósolni egy elemi részecske elhelyezkedését egy vagy másik időpontban.
Életút
Niels Bohr 1885. október 7-én született Koppenhágában, és ott h alt meg 1962. november 18-án. A legnagyobb fizikusok egyikeként tartják számon, és nem csoda: neki sikerült a hidrogénszerű atomok következetes modelljét felépítenie. A legenda szerint álmában látta, hogyan keringenek valami bolygók egy bizonyos fényes, ritka központ körül. Ez a rendszer ezután drasztikusan mikroszkopikus méretűre zsugorodott.
Azóta Bohr keményen keresi a módját, hogy az álmot képletekre és táblázatokra fordíthassa. A fizika modern irodalmának gondos tanulmányozásával, laboratóriumi kísérletezéssel és gondolkodással elértecélokat. Még a veleszületett félénksége sem akadályozta meg az eredmények közzétételében: zavarba jött, hogy nagyszámú közönség előtt beszéljen, kezdett összezavarodni, és a hallgatóság semmit sem értett a tudós magyarázataiból.
Prekurzorok
Bohr előtt a tudósok megpróbálták létrehozni az atom modelljét a klasszikus fizika posztulátumai alapján. A legsikeresebb kísérlet Ernest Rutherfordé volt. Számos kísérlet eredményeként arra a következtetésre jutott, hogy létezik egy hatalmas atommag, amely körül az elektronok keringenek. Mivel grafikusan egy ilyen modell a Naprendszer szerkezetéhez hasonlított, a bolygó neve mögötte megerősödött.
De volt egy jelentős hátránya: a Rutherford-egyenleteknek megfelelő atom instabilnak bizonyult. Előbb-utóbb az atommag körüli pályán gyorsulással mozgó elektronoknak az atommagra kellett esniük, és energiájukat elektromágneses sugárzásra fordítják. Bohr számára a Rutherford-modell lett a kiindulópont saját elmélete felépítéséhez.
Bohr első posztulátuma
Bohr fő újítása az volt, hogy elutasította a klasszikus newtoni fizika használatát az atomelmélet megalkotásában. A laboratóriumban szerzett adatok tanulmányozása után arra a következtetésre jutott, hogy az elektrodinamika olyan fontos törvénye, mint az egyenletesen gyorsított mozgás hullámsugárzás nélkül, nem működik az elemi részecskék világában.
Reflexióinak eredménye egy törvényszerűség volt, amely így hangzik: egy atomi rendszer csak akkor stabil, ha az egyik lehetséges stacionáriusban van.(kvantum) állapotok, amelyek mindegyike egy bizonyos energiának felel meg. Ennek a törvénynek, amelyet másképpen a kvantumállapotok posztulátumának neveznek, az az értelme, hogy felismerje az elektromágneses sugárzás hiányát, amikor egy atom ilyen állapotban van. Az első posztulátum következménye továbbá az energiaszintek jelenlétének felismerése az atomban.
Frekvenciaszabály
Az azonban nyilvánvaló volt, hogy egy atom nem lehet mindig ugyanabban a kvantumállapotban, mivel a stabilitás megtagad minden kölcsönhatást, ami azt jelenti, hogy nem lenne benne sem az Univerzum, sem mozgás. A látszólagos ellentmondást feloldotta a Bohr-féle atomszerkezeti modell második posztulátuma, az úgynevezett frekvenciaszabály. Az atom megfelelő energiaváltozással képes egyik kvantumállapotból a másikba átjutni, olyan kvantumot bocsát ki vagy elnyel, amelynek energiája megegyezik az álló állapotok energiáinak különbségével.
A második posztulátum szintén ellentmond a klasszikus elektrodinamikának. Maxwell elmélete szerint egy elektron mozgásának természete nem befolyásolhatja sugárzásának frekvenciáját.
Atomspektrum
Bohr kvantummodelljét az atom spektrumának alapos tanulmányozása tette lehetővé. A tudósokat sokáig zavarba hozta, hogy az égitestek spektrumainak tanulmányozásával kapott várt folytonos színtartomány helyett az atom spektrogramja nem folytonos. Az élénk színű vonalak nem folytak egymásba, hanem lenyűgöző sötét területek választották el őket.
Az elektronok átmenetének elmélete egy kvantumállapotból a másikbaegy másik megmagyarázta ezt a furcsaságot. Amikor egy elektron az egyik energiaszintről a másikra költözött, ahol kevesebb energiára volt szükség, kvantumot bocsátott ki, ami tükröződött a spektrogramon. Bohr elmélete azonnal bebizonyította, hogy képes megjósolni az egyszerű atomok, például a hidrogén spektrumában bekövetkező további változásokat.
Hibák
Bohr elmélete nem szakított teljesen a klasszikus fizikával. Még mindig megőrizte az elektronok keringési mozgásának gondolatát az atommag elektromágneses mezőjében. A kvantálás ötlete az egyik álló állapotból a másikba való átmenet során sikeresen kiegészítette a bolygómodellt, de még mindig nem oldott fel minden ellentmondást.
Noha a Bohr-modell fényében az elektron nem tudott spirális mozgásba kerülni és az atommagba zuhanni, folyamatosan energiát sugározva, továbbra is tisztázatlan maradt, hogy miért nem tudott egymás után magasabb energiaszintre emelkedni. Ebben az esetben az összes elektron előbb-utóbb a legalacsonyabb energiájú állapotba kerül, ami az atom pusztulásához vezetne. Egy másik probléma az atomspektrumok anomáliái voltak, amelyeket az elmélet nem magyarázott meg. 1896-ban Peter Zeeman különös kísérletet végzett. Egy atomi gázt helyezett mágneses térbe, és spektrogramot vett fel. Kiderült, hogy néhány spektrumvonal több részre szakadt. Az ilyen hatást Bohr elmélete nem magyarázta.
A hidrogénatom modelljének építése Bohr szerint
Elméletének minden hiányossága ellenére Niels Bohr képes volt felépíteni a hidrogénatom valósághű modelljét. Ennek során a frekvenciaszabályt és a klasszikus törvényeit használtamechanika. Bohr számításai az elektronpályák lehetséges sugarainak meghatározására és a kvantumállapotok energiájának kiszámítására meglehetősen pontosnak bizonyultak, és kísérletileg is megerősítették. Az elektromágneses hullámok emissziós és abszorpciós frekvenciája megfelelt a spektrogramokon lévő sötét rések elhelyezkedésének.
Így a hidrogénatom példáján bebizonyosodott, hogy minden atom diszkrét energiaszintű kvantumrendszer. Ezenkívül a tudósnak sikerült megtalálnia a módját a klasszikus fizika és posztulátumainak ötvözésére a megfelelési elv alapján. Azt állítja, hogy a kvantummechanika magában foglalja a newtoni fizika törvényeit. Bizonyos feltételek mellett (például, ha a kvantumszám elég nagy volt) a kvantum- és a klasszikus mechanika konvergál. Ezt bizonyítja, hogy a kvantumszám növekedésével a spektrumban a sötét rések hossza egészen a teljes eltűnésig csökkent, ahogy az a newtoni fogalmak tükrében várható volt.
Jelentés
A megfelelési elv bevezetése fontos köztes lépéssé vált a speciális kvantummechanika létezésének felismerése felé. A Bohr-féle atommodell sokak számára kiindulóponttá vált a szubatomi részecskék mozgására vonatkozó pontosabb elméletek megalkotásában. Niels Bohr nem tudta megtalálni a kvantálási szabály pontos fizikai értelmezését, de ezt sem tudta megtenni, mivel az elemi részecskék hullámtulajdonságait csak idővel fedezték fel. Louis de Broglie Bohr elméletét új felfedezésekkel kiegészítve bebizonyította, hogy minden egyes pálya, aamelyet az elektron mozgat, az az atommagból terjedő hullám. Ebből a szempontból az atom stacioner állapotát kezdték úgy tekinteni, hogy az abban az esetben jön létre, amikor a hullám az atommag körül teljes körforgást végrehajtva ismétlődik.