Вы можете поискать изображение атома в Интернете и найти его, даже если раньше никто не видел атома. Но у нас есть оценка того, как выглядит отдельный атом, благодаря работе группы разных ученых, таких как датский физик Нильс Бор.
Атомы являются строительными блоками материи: отдельный атом любого отдельного элемента - это самая основная сущность в природе, которая все еще подчиняется законам физики, которые мы можем наблюдать в повседневной жизни (субатомные частицы, из которых состоят атомы, имеют свои особые правила) . Ученые подозревали, что атомы существовали задолго до того, как они смогли концептуализировать их структуру - даже древние греки полагали, что материя Вселенной состоит из компонентов, настолько маленьких, что их невозможно разбить на что-то меньшее, и они назвали эти фундаментальные единицы атомами. , что означает «неделимый». К концу 19 века стало понятно, что химические вещества можно разбить на атомы, которые были очень маленькими, а атомы различных элементов имели предсказуемый вес.
Но затем, в 1897 году, британский физик Дж. Дж. Томсон обнаружил электроны - отрицательно заряженные частицы внутри атомов, которые все большую часть столетия считали полностью неделимыми - как мельчайшие сущности. Томсон просто выдвинул гипотезу о существовании электронов, но не мог точно понять, как электроны вписываются в атом. Его лучшим предположением была « модель сливового пудинга », которая изображала атом как положительно заряженный пирог, усеянный отрицательно заряженными участками, разбросанными по всей поверхности, как фрукты в старинном десерте.
«Было обнаружено, что электроны имеют отрицательный электрический заряд, и все они имеют одинаковую массу и очень малы по сравнению с атомами», - говорит Дадли Хершбах, химик из Гарварда, получивший Нобелевскую премию по химии в 1986 году за его «вклад в динамику элементарных химических процессов. , "в электронном письме. «Эрнест Резерфорд открыл ядро в 1911 году. Ядра были положительно электрическими, с разной массой, но намного больше электронов, но очень маленькими».
Гигантский скачок вперед
Нильс Бор был учеником Резерфорда, который храбро взял на себя проект своего наставника по расшифровке структуры атома в 1912 году. Ему потребовался всего год, чтобы придумать работающую модель атома водорода.
«Модель Бора 1913 года для атома водорода имела круговые орбиты электронов вокруг протона - как Земля вращается вокруг Солнца», - говорит Хершбах. «Бор использовал простой и регулярный образец спектра атома водорода, который был обнаружен Иоганном Бальмером в 1885 году. Он также использовал идею квантовой идеи, открытую Максом Планком в 1900 году».
В 1913 году модель Бора стала гигантским скачком вперед, потому что она включила черты новорожденной квантовой механики в описание атомов и молекул. В том же году он опубликовал три статьи о строении атомов и молекул: первая и самая известная была посвящена атому водорода, а две другие описали некоторые элементы с большим количеством электронов, используя его модель в качестве основы. В предложенной им модели атома водорода электроны движутся вокруг ядра, но только по специальным дорожкам с разными уровнями энергии. Бор предположил, что свет испускается, когда электрон прыгает с дорожки с более высокой энергией на дорожку с более низкой энергией - это то, что заставляет водород светиться в стеклянной трубке. Он получил водород правильно, но его модель была немного глючной.
«Модель не смогла предсказать правильное значение энергий основного состояния многоэлектронных атомов и энергий связи молекул - даже для простейших двухэлектронных систем, таких как атом гелия или молекула водорода», - говорит Анатолий Свидзинский. , профессор Института квантовой науки и техники Texas A&M, в интервью по электронной почте. «Итак, уже в 1913 году стало ясно, что модель Бора не совсем верна. Даже для атома водорода модель Бора неверно предсказывает, что основное состояние атома обладает ненулевым орбитальным угловым моментом».
Нобелевская премия 1922 года
Что, конечно, может не иметь для вас большого смысла, если вы не квантовый физик. Тем не менее, модель Бора была быстро продвинута и получила Нобелевскую премию по физике в 1922 году. Но даже когда Бор укреплял свою репутацию в мире физики, ученые улучшали его модель:
«Модель атома водорода Бора была усовершенствована Арнольдом Зоммерфельдом в 1916 году», - говорит Хершбах. «Он обнаружил эллиптические орбиты, на которых учитывались спектральные линии, близкие к линиям, полученным с круговых орбит. Модель Бора-Зоммерфельда для атома водорода является базовой, но квантовая теория и теория относительности стали основными аспектами».
Между 1925 и 1928 годами Вернер Гейзенберг, Макс Борн, Вольфганг Паули, Эрвин Шредингер и Поль Дирак разработали эти аспекты далеко за пределами атомной модели Бора, но его модель атома, безусловно, является наиболее известной. Атомные модели, которые квантовая физика дала нам, не столько похоже на солнце, окруженное электронными планетами, сколько на современное искусство. Вероятно, мы все еще используем модель Бора, потому что это хорошее введение в понятие атома.
«В 1913 году модель Бора продемонстрировала, что квантование - правильный путь для описания микромира», - говорит Свидзинский. «Таким образом, модель Бора показала ученым направление поиска и стимулировала дальнейшее развитие квантовой механики. Если вы знаете путь, то рано или поздно вы найдете правильное решение проблемы. указатели на пешеходной тропе в квантовый мир ".
Вот это интересно
Отец Нильса Бора, Кристиан Бор , был номинирован на три разные Нобелевские премии по физиологии медицины, но так и не выиграл.
