Il modello Bohr: sostituito rapidamente ma mai dimenticato  

Gli atomi sono i mattoni della materia: un singolo atomo di ogni singolo elemento è l'entità più elementare in natura che si attiene ancora alle regole della fisica che possiamo osservare nella vita di tutti i giorni (le particelle subatomiche che compongono gli atomi hanno le loro regole speciali) . Gli scienziati sospettavano che gli atomi esistessero da molto tempo prima che potessero concettualizzare la loro struttura - anche gli antichi greci pensavano che la materia dell'universo fosse composta da componenti così piccoli che non potevano essere scomposti in qualcosa di più piccolo, e chiamarono queste unità fondamentali atomos , che significa "indiviso". Entro la fine del 19 ° secolo, si era capito che le sostanze chimiche potevano essere scomposte in atomi, che erano molto piccoli e gli atomi di diversi elementi avevano un peso prevedibile.

Ma poi, nel 1897, il fisico britannico JJ Thomson scoprì gli elettroni - particelle caricate negativamente all'interno degli atomi che tutti avevano trascorso la parte migliore di un secolo credendo fossero del tutto indivisibili - come le cose più piccole che esistevano. Thomson ha appena ipotizzato che esistessero gli elettroni, ma non è riuscito a capire esattamente come si inseriscono gli elettroni in un atomo. La sua ipotesi migliore era il " modello di budino di prugne " , che raffigurava l'atomo come una torta carica positivamente costellata di aree caricate negativamente sparse ovunque come la frutta in un dessert vecchio stile.

"Gli elettroni sono risultati elettrici negativi, e tutti con la stessa massa e molto piccoli rispetto agli atomi", dice Dudley Herschbach, un chimico di Harvard che ha condiviso il Premio Nobel per la Chimica nel 1986 per i suoi "contributi riguardanti la dinamica dei processi chimici elementari , "in un'e-mail. "Ernest Rutherford scoprì il nucleo nel 1911. I nuclei erano elettrici positivi, con varie masse ma molto più grandi degli elettroni, ma di dimensioni molto piccole."

Un gigantesco balzo in avanti

Niels Bohr era uno studente di Rutherford che nel 1912 ha assunto coraggiosamente il progetto del suo mentore di decifrare la struttura dell'atomo. Gli ci è voluto solo un anno per trovare un modello funzionante di un atomo di idrogeno.

"Il modello di Bohr del 1913 per l'atomo di idrogeno aveva orbite elettroniche circolari attorno al protone, come le orbite terrestri attorno al sole", dice Herschbach. "Bohr aveva utilizzato un modello semplice e regolare per lo spettro dell'atomo di idrogeno, che era stato trovato da Johann Balmer nel 1885. Fece anche uso dell'idea dell'idea quantistica, trovata da Max Planck nel 1900."

Nel 1913, il modello di Bohr fu un enorme balzo in avanti perché incorporava le caratteristiche della neonata meccanica quantistica nella descrizione di atomi e molecole. Quell'anno pubblicò tre articoli sulla costituzione di atomi e molecole: il primo e più famoso era dedicato all'atomo di idrogeno e gli altri due descrivevano alcuni elementi con più elettroni, usando il suo modello come cornice. Il modello da lui proposto per l'atomo di idrogeno aveva elettroni che si muovevano attorno al nucleo, ma solo su tracce speciali con diversi livelli di energia. Bohr ha ipotizzato che la luce fosse emessa quando un elettrone saltava da una traccia di energia superiore a una traccia di energia inferiore: questo è ciò che ha fatto brillare l'idrogeno in un tubo di vetro. Ha ottenuto l'idrogeno giusto, ma il suo modello era un po 'difettoso.

"Il modello non è riuscito a prevedere il giusto valore delle energie dello stato fondamentale di atomi a molti elettroni e le energie di legame delle molecole, anche per i più semplici sistemi a 2 elettroni, come l'atomo di elio o una molecola di idrogeno", afferma Anatoly Svidzinsky , professore presso l' Institute for Quantum Science and Engineering presso Texas A&M, in un'intervista via e-mail. "Quindi, già nel 1913, era chiaro che il modello di Bohr non è del tutto corretto. Anche per l'atomo di idrogeno, il modello di Bohr predice erroneamente che lo stato fondamentale dell'atomo possiede un momento angolare orbitale diverso da zero".

Il premio Nobel 1922

Il che, ovviamente, potrebbe non avere molto senso per te se non sei un fisico quantistico. Tuttavia, il modello di Bohr fu accelerato per ricevere un Premio Nobel per la fisica nel 1922. Ma anche se Bohr stava consolidando la sua reputazione nel mondo della fisica, gli scienziati stavano migliorando il suo modello:

"Il modello di Bohr per l'atomo di idrogeno è stato migliorato da Arnold Sommerfeld nel 1916", afferma Herschbach. "Ha trovato orbite ellittiche che rappresentavano le linee degli spettri vicine a quelle che provenivano da orbite circolari. Il modello di Bohr-Sommerfeld per l'atomo di idrogeno è fondamentale, ma quantistica e relatività sono diventati aspetti principali".

Tra il 1925 e il 1928, Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli, Erwin Schrodinger e Paul Dirac svilupparono questi aspetti ben oltre il modello atomico di Bohr, ma il suo è di gran lunga il modello più riconosciuto di un atomo. I modelli atomici che la fisica quantistica ci ha fornito assomigliano meno a un sole circondato da pianeti elettronici e più simili all'arte moderna. È probabile che utilizziamo ancora il modello di Bohr perché è una buona introduzione al concetto di atomo.

"Nel 1913, il modello di Bohr ha dimostrato che la quantizzazione è una strada giusta nella descrizione del micro-mondo", dice Svidzinsky. "Pertanto, il modello di Bohr ha mostrato agli scienziati una direzione per la ricerca e ha stimolato l'ulteriore sviluppo della meccanica quantistica. Se conosci il percorso, prima o poi troverai la giusta soluzione al problema. Si può pensare al modello di Bohr come uno dei segnali di direzione lungo un sentiero escursionistico nel mondo quantistico ".

Ora è interessante

Il padre di Niels Bohr, Christian Bohr , è stato nominato per tre diversi premi Nobel per la fisiologia della medicina, anche se non ha mai vinto.