תיאוריית האטום עשתה דרך ארוכה באלפי השנים האחרונות. החל מהמאה החמישית לפני הספירה עם התיאוריה של דמוקריטוס על "גופות" בלתי ניתנות לחלוקה המקשרות זו עם זו באופן מכני, ואז עוברות למודל האטומי של דלתון במאה ה -18, ואז התבגרו במאה ה -20 עם גילוי חלקיקים תת-אטומיים ותורת הקוונטים, מסע הגילוי היה ארוך ומפותל.
אפשר לטעון שאחת מאבני הדרך החשובות ביותר לאורך הדרך הייתה המודל האטומי של בוהר, המכונה לעיתים המודל האטומי Rutherford-Bohr. דגם זה, שהוצע על ידי הפיזיקאי הדני נילס בוהר בשנת 1913, מתאר את האטום כגרעין קטן ומטען חיובי המוקף באלקטרונים הנעים במסלול מעגלי (מוגדר על ידי רמות האנרגיה שלהם) סביב המרכז.
תיאוריה אטומית של המאה ה -19:
הדוגמאות המוקדמות ביותר לתורת האטום הגיעו מיוון והודו העתיקה, שם הוספו פילוסופים כמו דמוקריטוס כי כל החומר היה מורכב מיחידות קטנטנות, בלתי ניתנות להפרדה ובלתי ניתנות להפרדה. המונח "אטום" נטבע ביוון העתיקה והוליד את אסכולת המחשבה המכונה "אטומיזם". עם זאת, תיאוריה זו הייתה יותר מושג פילוסופי מאשר מושג מדעי.
רק במאה ה -19 התנסחה תיאוריית האטומים כעניין מדעי, כאשר הניסויים הראשונים מבוססי הראיות נערכו. לדוגמה, בראשית 1800, המדען האנגלי ג'ון דלטון השתמש במושג האטום בכדי להסביר מדוע יסודות כימיים הגיבו בדרכים מסוימות שניתן לראות וצפויות. באמצעות סדרת ניסויים שכללו גזים, דלטון המשיך לפתח את מה שמכונה "תיאוריה אטומית של דלתון".
תיאוריה זו הרחיבה את חוקי השיחה בממדים ובממדים מוגדרים וירדה לחמישה הנחות יסוד: יסודות, במצבם הטהור ביותר, מורכבים מחלקיקים המכונים אטומים; האטומים של יסוד ספציפי כולם זהים, עד לאטום האחרון ביותר; ניתן להבחין באטומים של אלמנטים שונים על ידי משקלי האטום שלהם; אטומים של יסודות מתאחדים ליצירת תרכובות כימיות; לא ניתן ליצור או להרוס אטומים בתגובה כימית, רק הקבוצה משתנה אי פעם.
גילוי האלקטרון:
בשלהי המאה ה -19 החלו מדענים להעריך כי האטום מורכב ביותר מיחידה בסיסית אחת. עם זאת, מרבית המדענים העזו כי יחידה זו תהיה בגודל האטום הקטן ביותר הידוע - מימן. בסוף המאה ה -19 הדבר ישתנה באופן דרסטי, הודות למחקר שערכו מדענים כמו סר ג'וזף ג'ון תומסון.
באמצעות סדרת ניסויים באמצעות צינורות קרני קתודה (המכונה צינור הקרוקס), תומסון ציין כי קרני הקתודה ניתנות להטיה באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים. הוא הגיע למסקנה כי במקום שהם מורכבים מאור, הם היו מורכבים מחלקיקים טעונים שליליים שהיו קטנים יותר מפעם אחת ופחות 1800 קלים ממימן.
זה הפריך למעשה את התפיסה כי אטום המימן הוא היחידה הקטנה ביותר של החומר, ותומפסון הרחיק לכת והציע כי האטומים ניתנים לחלוקה. כדי להסביר את המטען הכולל של האטום, שהורכב ממטענים חיוביים ושליליים כאחד, הציע תומפסון מודל לפיו "הגופות" הטעונות השליליות הופצו בים אחיד של מטען חיובי - המכונה מודל פודינג השזיף.
גופות אלה ייקראו לימים "אלקטרונים", על בסיס החלקיק התיאורטי שחזה הפיזיקאי האנגלו-אירי ג'ורג 'ג'ונסטון סטוני בשנת 1874. ומזה נולד דגם פודינג השזיף, שנקרא כך מכיוון שהוא דומה מאוד למדבר האנגלי שמורכב ממנו עוגת שזיפים וצימוקים. הרעיון הוצג לעולם במהדורת מרץ 1904 של בריטניה מגזין פילוסופי, לשבחים רחבים.
הדגם של רתרפורד:
ניסויים שלאחר מכן חשפו מספר בעיות מדעיות במודל פודינג שזיף. בתור התחלה, הייתה הבעיה להראות שהאטום היה בעל מטען רקע חיובי אחיד, שנודע כ"בעיית תומסון ". חמש שנים לאחר מכן, המודל יופרך על ידי האנס גייגר וארנסט מרסדן, שערכו סדרת ניסויים באמצעות חלקיקי אלפא ונייר זהב - aka. "ניסוי נייר הזהב."
בניסוי זה, גייגר ומרסדן מדדו את תבנית הפיזור של חלקיקי האלפא באמצעות מסך ניאון. אם המודל של תומסון היה נכון, חלקיקי האלפא היו עוברים במבנה האטומי של נייר הכסף ללא הפרעה. עם זאת, הם ציינו שבמקום שהרוב ירו היישר דרךם, חלקם פוזרו לכיוונים שונים, כאשר חלקם חזרו לכיוון המקור.
גייגר ומרסדן הגיעו למסקנה כי החלקיקים נתקלו בכוח אלקטרוסטטי גדול בהרבה מזה שמאפשר המודל של תומסון. מכיוון שחלקיקי אלפא הם רק גרעיני הליום (שהם טעונים לחיוב), הדבר רומז כי המטען החיובי באטום לא התפזר באופן נרחב, אלא התרכז בנפח זעיר. בנוסף, העובדה שאותם החלקיקים שלא הוסטו עברו ללא הפרעה, פירושה שהמרווחים החיוביים הללו הופרדו על ידי מפרצים עצומים של שטח ריק.
עד שנת 1911, הפיזיקאי ארנסט רתרפורד פירש את הניסויים של גייגר-מרסדן ודחה את מודל האטום של תומסון. במקום זאת, הוא הציע דגם בו האטום כלל חלל ריק, כאשר כל המטען החיובי שלו מרוכז במרכזו בנפח זעיר מאוד, שהיה מוקף בענן אלקטרונים. זה נודע כמודל רתרפורד של האטום.
דגם בוהר:
ניסויים שלאחר מכן של אנטוניוס ואן דן ברוק ונילס בוהר עידנו את המודל עוד יותר. בעוד ואן דן ברוק הציע שהמספר האטומי של יסוד דומה מאוד למטען הגרעיני שלו, האחרון הציע מודל דמוי מערכת סולארית של האטום, שבו גרעין מכיל את המספר האטומי של מטען חיובי ומוקף בשווה מספר האלקטרונים בקונכיות מסלולית (המכונה דגם בוהר).
בנוסף, המודל של בוהר עידן אלמנטים מסוימים במודל רות'רפורד שהיו בעייתיים. אלה כללו את הבעיות הנובעות מהמכניקה הקלאסית, שניבאה כי אלקטרונים ישחררו קרינה אלקטרומגנטית תוך כדי מסלול סביב גרעין. בגלל אובדן האנרגיה, האלקטרון היה צריך להסתובב במהירות פנימה ולהתמוטט לתוך הגרעין. בקיצור, המודל האטומי הזה רמז שכל האטומים אינם יציבים.
המודל גם חזה שככל שאלקטרונים מסתובבים פנימה, פליטתם תגדל במהירות בתדירות ככל שהמסלול יתמעט ויהיה מהיר יותר. עם זאת, ניסויים עם פריקות חשמליות בסוף המאה ה -19 הראו כי האטומים רק פולטים אנרגיה אלקטרומגנטית בתדרים נפרדים מסוימים.
בוהר פתר זאת בכך שהציע שאלקטרונים מקיפים את הגרעין בדרכים התואמות את תורת הקרינה של פלאנק. במודל זה אלקטרונים יכולים לתפוס רק אורביטלים מורשים מסוימים עם אנרגיה ספציפית. יתר על כן, הם יכולים רק להרוויח ולאבד אנרגיה על ידי קפיצה ממסלול מסלול אחד למשנהו, קליטה או פליטה של קרינה אלקטרומגנטית בתהליך.
מסלולים אלה נקשרו לאנרגיות מוגדרות, שהוא התייחס אליהם פגזי אנרגיה או רמות אנרגיה. במילים אחרות, האנרגיה של אלקטרון בתוך אטום אינה רציפה, אלא "מכמתת". רמות אלה מסומנות אפוא במספר הקוונטי n (n = 1, 2, 3 וכו '.) שלטענתו ניתן לקבוע באמצעות הנוסחה של Ryberg - כלל שגובש בשנת 1888 על ידי הפיזיקאי השבדי Johannes Ryberg כדי לתאר את אורכי הגל של קווים ספקטרליים של יסודות כימיים רבים.
השפעת דגם בוהר:
בעוד שהמודל של בוהר אכן התגלה כפורץ דרך מבחינות מסוימות - מיזוג הקבוע של ריבברג והתמיד של פלאנק (המכונה גם תורת הקוונטים) עם מודל רות'רפורד - הוא אכן סבל מכמה פגמים שהניסויים המאוחרים יותר היו ממחישים. בתור התחלה, היא הניחה שלאלקטרונים יש גם רדיוס וגם מסלול ידוע, דבר שרנר הייזנברג יפריך עשור לאחר מכן עם עקרון אי הוודאות שלו.
בנוסף, אף שהיה מועיל לחיזוי התנהגותם של אלקטרונים באטומי מימן, המודל של בוהר לא היה שימושי במיוחד בחיזוי הספקטרום של אטומים גדולים יותר. במקרים אלה, שבהם לאטומים יש אלקטרונים מרובים, רמות האנרגיה לא היו בקנה אחד עם מה שחזה בוהר. המודל גם לא עבד עם אטומי הליום ניטרליים.
מודל בוהר גם לא יכול היה להסביר את אפקט Zeeman, תופעה שצוינה על ידי הפיזיקאים ההולנדים פיטר זיימן בשנת 1902, שם קווי ספקטרום מפוצלים לשניים או יותר בנוכחות שדה מגנטי סטטי חיצוני. בגלל זה, ניסו כמה חידודים במודל האטומי של בוהר, אך גם אלה התבררו כבעייתיים.
בסופו של דבר זה יוביל לכך שהמודל של בוהר יחליף את תורת הקוונטים - בקנה אחד עם עבודתם של הייזנברג וארווין שרדינגר. עם זאת, המודל של בוהר נותר שימושי ככלי הדרכה להכרת התלמידים תיאוריות מודרניות יותר - כמו מכניקת הקוונטים והמודל האטומי של מעטפת הערכיות.
זה יתגלה גם כאבן דרך מרכזית בהתפתחות המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, מודל המאופיין ב"ענני אלקטרונים ", חלקיקים יסודיים וחוסר וודאות.
כתבנו מאמרים מעניינים רבים על תיאוריה אטומית כאן במגזין החלל. הנה המודל האטומי של ג'ון דלטון, מהו מודל פודינג השזיף, מהו המודל של ענן האלקטרונים ?, מי היה דמוקריטוס ?, ומה הם חלקי האטום?
באסטרונומיה קאסט יש גם כמה פרקים בנושא: פרק 138: מכניקת הקוונטים, פרק 139: רמות אנרגיה וספקטרה, פרק 378: רתרפורד והאטומים, פרק 392: המודל הסטנדרטי - מבוא.
מקורות:
- נילס בוהר (1913) "על חוקת האטומים והמולקולות, חלק א"
- נילס בוהר (1913) "על חוקת האטומים והמולקולות, חלק ב 'מערכות הכוללות גרעין בודד בלבד"
- אנציקלופדיה בריטניקה: מודל האטום בורה
- היפרפיזיקה - מודל בוהר
- אוניברסיטת טנסי, נוקסוויל - המודל של בורה
- אוניברסיטת טורונטו - דגם הבוהר של האטום
- נאס"א - דמיין את היקום - רקע: אטומים ואנרגיית אור
- אודות חינוך - Bohr Model of the Atom
