Atomteorien er nået langt i løbet af de sidste par tusinde år. Begyndende i det 5. århundrede fvt med Democritus 'teori om udelelige “korpuskler”, der interagerer hinanden mekanisk, derefter bevæger sig over på Daltons atommodel i det 18. århundrede og derefter modnes i det 20. århundrede med opdagelsen af subatomære partikler og kvanteteori, opdagelsesrejsen har været lang og snoet.
Et af de vigtigste milepæle undervejs er sandsynligvis Bohr's atommodel, der undertiden benævnes Rutherford-Bohr atommodel. Denne model blev foreslået af den danske fysiker Niels Bohr i 1913 og beskriver atomet som en lille, positivt ladet kerne omgivet af elektroner, der bevæger sig i cirkulære baner (defineret af deres energiniveau) rundt om midten.
Atomteori til det 19. århundrede:
De tidligste kendte eksempler på atomteori kommer fra det gamle Grækenland og Indien, hvor filosofer som Democritus postulerede, at al materie var sammensat af små, udelelige og uforglemmelige enheder. Udtrykket "atom" blev myntet i det gamle Grækenland og gav anledning til tankegangen, kendt som "atomisme". Denne teori var dog mere et filosofisk begreb end en videnskabelig.
Først i det 19. århundrede blev atomteorien artikuleret som en videnskabelig sag, hvor de første evidensbaserede eksperimenter blev udført. For eksempel brugte den engelske videnskabsmand John Dalton i begyndelsen af 1800-tallet begrebet atom til at forklare, hvorfor kemiske elementer reagerede på visse observerbare og forudsigelige måder. Gennem en række eksperimenter, der involverede gasser, fortsatte Dalton med at udvikle det, der er kendt som Daltons atomteori.
Denne teori udvidede lovene om samtale med masse og bestemte proportioner og kom ned til fem lokaler: elementer, i deres reneste tilstand, består af partikler kaldet atomer; atomer i et specifikt element er alle de samme, helt ned til det sidste atom; atomer fra forskellige elementer kan fortælles fra hinanden ved hjælp af deres atomvægte; atomer af elementer forenes for at danne kemiske forbindelser; atomer kan hverken oprettes eller ødelægges ved kemisk reaktion, kun grupperingen ændrer sig nogensinde.
Opdagelse af elektron:
I slutningen af det 19. århundrede begyndte videnskabsfolk også at teoretisere, at atomet var sammensat af mere end en grundlæggende enhed. De fleste forskere turdede sig dog, at denne enhed ville være størrelsen på det mindste kendte atom - brint. Ved udgangen af det 19. århundrede ville dette ændre sig drastisk takket være forskning udført af forskere som Sir Joseph John Thomson.
Gennem en række eksperimenter ved hjælp af katodestrålerør (kendt som Crookes 'Tube), observerede Thomson, at katodestråler kunne afbøjes af elektriske og magnetiske felter. Han konkluderede, at de snarere end at være sammensat af lys, bestod af negativt ladede partikler, der var 1 gange så små og 1800 gange lettere end brint.
Dette modbeviste effektivt forestillingen om, at hydrogenatomet var den mindste enhed af materie, og Thompson gik videre til at antyde, at atomer var delbare. For at forklare atomens samlede ladning, der bestod af både positive og negative ladninger, foreslog Thompson en model, hvor de negativt ladede "korpuskler" blev fordelt i et ensartet hav med positiv ladning - kendt som Plum Pudding Model.
Disse kropuskler blev senere benævnt "elektroner", baseret på den teoretiske partikel, der blev forudsagt af den anglo-irske fysiker George Johnstone Stoney i 1874. Og ud fra dette blev Plum Pudding Model født, så navngivet, fordi den tæt lignede den engelske ørken, der består af blommekage og rosiner. Konceptet blev introduceret til verden i marts 1904-udgaven af UK's Filosofisk magasin, til bred anerkendelse.
Rutherford-modellen:
Efterfølgende eksperimenter afslørede en række videnskabelige problemer med Plum Pudding-modellen. Til at begynde med var der problemet med at demonstrere, at atomet havde en ensartet positiv baggrundsladning, som blev kendt som ”Thomson-problemet”. Fem år senere ville modellen blive modbevist af Hans Geiger og Ernest Marsden, der udførte en række eksperimenter ved hjælp af alfa-partikler og guldfolie - aka. "guldfolieeksperimentet."
I dette eksperiment målte Geiger og Marsden spredningsmønsteret for alfapartiklerne med en fluorescerende skærm. Hvis Thomsons model var korrekt, ville alfa-partiklerne passere uhindret gennem den atomære struktur af folien. Imidlertid bemærkede de i stedet, at mens de fleste blev skudt direkte igennem, var nogle af dem spredt i forskellige retninger, mens nogle gik tilbage i retning af kilden.
Geiger og Marsden konkluderede, at partiklerne var stødt på en elektrostatisk kraft, der var langt større end den, der er tilladt af Thomsons model. Da alfapartikler kun er heliumkerner (som er positivt ladede), antydede dette, at den positive ladning i atomet ikke var bredt spredt, men koncentreret i et lille volumen. Derudover betød det faktum, at de partikler, der ikke blev afbøjet, passeret uhindret, at disse positive rum blev adskilt af store bugter med tomt rum.
I 1911 fortolkede fysikeren Ernest Rutherford Geiger-Marsden-eksperimenterne og afviste Thomsons model af atomet. I stedet foreslog han en model, hvor atomet bestod af stort set tomt rum, med al dens positive ladning koncentreret i dets centrum i et meget lille volumen, der var omgivet af en sky af elektroner. Dette blev kendt som atomets Rutherford-model.
Bohr-modellen:
Efterfølgende eksperimenter af Antonius Van den Broek og Niels Bohr forfinede modellen yderligere. Mens Van den Broek antydede, at atomantallet for et element ligner meget dets nukleare ladning, foreslog sidstnævnte en solsystem-lignende model af atomet, hvor en kerne indeholder atomantalet positiv ladning og er omgivet af en lige antal elektroner i orbitalskaller (også kendt som Bohr-modellen).
Derudover forbedrede Bohrs model visse elementer i Rutherford-modellen, der var problematiske. Disse omfattede problemerne fra klassisk mekanik, der forudsagde, at elektroner ville frigive elektromagnetisk stråling, mens de kredsede om en kerne. På grund af energitabet skal elektronet have spiret hurtigt indad og kollapset ind i kernen. Kort sagt antydede denne atommodel, at alle atomer var ustabile.
Modellen forudsagde også, at når elektroner spiralede indad, ville deres emission hurtigt øges i frekvens, når bane blev mindre og hurtigere. Eksperimenter med elektriske udladninger i slutningen af det 19. århundrede viste imidlertid, at atomer kun udsender elektromagnetisk energi ved bestemte diskrete frekvenser.
Bohr løste dette ved at foreslå, at elektroner kredsede rundt om kernen på måder, der var i overensstemmelse med Plancks kvanteteori om stråling. I denne model kan elektroner kun optage bestemte tilladte orbitaler med en bestemt energi. Desuden kan de kun vinde og miste energi ved at hoppe fra en tilladt bane til en anden, absorbere eller udsende elektromagnetisk stråling i processen.
Disse baner var forbundet med bestemte energier, som han omtalte som energi skaller eller energiniveau. Med andre ord, energien fra et elektron inde i et atom er ikke kontinuerlig, men "kvantiseret". Disse niveauer er således mærket med kvantetallet n (n = 1, 2, 3 osv.), som han hævdede kunne bestemmes ved hjælp af Ryberg-formlen - en regel formuleret i 1888 af den svenske fysiker Johannes Ryberg for at beskrive bølgelængderne i spektrallinjer for mange kemiske elementer.
Indflydelse af Bohr-modellen:
Mens Bohrs model viste sig at være banebrydende i nogle henseender - fusionering af Rybergs konstante og Plancks konstante (alias kvanteteori) med Rutherford-modellen, led den dog af nogle mangler, som senere eksperimenter ville illustrere. Til at begynde med antog det, at elektroner har både en kendt radius og bane, noget som Werner Heisenberg ville modbevise et årti senere med sin usikkerhedsprincip.
Selv om det var nyttigt til at forudsige opførsel af elektroner i brintatomer, var Bohrs model ikke særlig nyttig til at forudsige spektrene for større atomer. I disse tilfælde, hvor atomer har flere elektroner, var energiniveauet ikke i overensstemmelse med, hvad Bohr forudsagde. Modellen fungerede heller ikke med neutrale heliumatomer.
Bohr-modellen kunne heller ikke redegøre for Zeeman-effekten, et fænomen, der blev noteret af hollandske fysikere Pieter Zeeman i 1902, hvor spektrallinjer er opdelt i to eller flere i nærvær af et eksternt, statisk magnetfelt. På grund af dette blev flere forfininger forsøgt med Bohrs atommodel, men også disse viste sig at være problematiske.
I sidste ende ville dette føre til, at Bohrs model erstattes af kvanteteori - i overensstemmelse med Heisenbergs og Erwin Schrodingers arbejde. Ikke desto mindre forbliver Bohrs model nyttigt som et instruktionsværktøj til at introducere studerende til mere moderne teorier - såsom kvantemekanik og atommodellen valence shell.
Det skulle også vise sig at være en vigtig milepæl i udviklingen af standardmodellen for partikelfysik, en model kendetegnet ved “elektronskyer”, elementære partikler og usikkerhed.
Vi har skrevet mange interessante artikler om atomteori her på Space Magazine. Her er John Daltons atommodel, hvad er blommepuddingmodellen, hvad er Electron Cloud-modellen ?, Hvem var demokrat? Og hvad er delene af atomet?
Astronomy Cast har også nogle episoder om emnet: Episode 138: Quantum Mechanics, Episode 139: Energy Levels and Spectra, Episode 378: Rutherford and Atoms og Episode 392: The Standard Model - Intro.
Kilder:
- Niels Bohr (1913) “Om forfatningen af atomer og molekyler, del I”
- Niels Bohr (1913) "Om forfatningen af atomer og molekyler, del II-systemer, der kun indeholder en enkelt kerne"
- Encyclopaedia Britannica: Borh Atomic Model
- Hyperfysik - Bohr-model
- University of Tennessee, Knoxville - The Borh Model
- University of Toronto - The Bohr Model of the Atom
- NASA - Forestil dig universet - Baggrund: Atomer og lysenergi
- Om uddannelse - Bohr Model of the Atom
