XX amžiaus pradžia buvo labai palankus metas mokslams. Be to, kad Ernestas Rutherfordas ir Nielsas Bohras sukūrė standartinį dalelių fizikos modelį, tai taip pat buvo proveržio laikotarpis kvantinės mechanikos srityje. Dėl vykstančių elektronų elgesio tyrimų mokslininkai pradėjo siūlyti teorijas, pagal kurias šios elementariosios dalelės elgėsi taip, kad prieštarautų klasikinei Niutono fizikai.
Vienas iš tokių pavyzdžių yra Erwino Schrodingerio pasiūlytas elektroninio debesies modelis. Dėl šio modelio elektronai nebebuvo vaizduojami kaip dalelės, judančios aplink centrinį branduolį fiksuota orbita. Vietoj to, Schrodingeris pasiūlė modelį, pagal kurį mokslininkai galėtų tik spėlioti apie elektronų padėtis. Taigi jų vietas būtų galima apibūdinti tik kaip „debesio“ aplink branduolį, kuriame greičiausiai bus elektronų, dalis.
Atominė fizika iki XX amžiaus:
Ankstyviausi žinomi atominės teorijos pavyzdžiai kilę iš senovės Graikijos ir Indijos, kur tokie filosofai kaip Demokritas teigė, kad visa materija susideda iš mažyčių, nedalomų ir nesunaikinamų vienetų. Terminas „atomas“ buvo sukurtas senovės Graikijoje ir paskatino minties mokyklą, žinomą kaip „atomizmas“. Tačiau ši teorija buvo labiau filosofinė, o ne mokslinė.
Įvairūs atomai ir molekulės, kaip pavaizduota Johno Daltono knygoje „Naujoji cheminės filosofijos sistema“ (1808). Kreditas: viešasis domenas
Tik XIX amžiuje atomų teorija tapo moksliniu dalyku, kai buvo atlikti pirmieji įrodymais pagrįsti eksperimentai. Pavyzdžiui, 1800-ųjų pradžioje anglų mokslininkas Johnas Daltonas panaudojo atomo sąvoką, kad paaiškintų, kodėl cheminiai elementai reagavo tam tikrais stebimais ir nuspėjamais būdais. Atlikdamas daugybę eksperimentų su dujomis, Daltonas toliau sukūrė tai, kas žinoma kaip Daltono atominė teorija .
Ši teorija išplėtė masės ir apibrėžtų proporcijų pokalbio dėsnius ir pasiekė penkias prielaidas: gryniausius elementus sudaro dalelės, vadinamos atomais; konkretaus elemento atomai yra vienodi, iki pat paskutinio atomo; skirtingų elementų atomai gali būti atskirti pagal jų atominį svorį; elementų atomai susijungia ir sudaro cheminius junginius; atomai negali būti nei sukurti, nei sunaikinti vykstant cheminei reakcijai, keičiasi tik jų grupė.
Elektrono atradimas:
19 amžiaus pabaigoje mokslininkai taip pat pradėjo kelti teoriją, kad atomą sudaro daugiau nei vienas pagrindinis vienetas. Tačiau dauguma mokslininkų išdrįso, kad šis vienetas būtų mažiausio žinomo atomo – vandenilio – dydžio. Iki XIX amžiaus pabaigos jo padėtis kardinaliai pasikeis dėl tokių mokslininkų kaip seras Josephas Johnas Thomsonas atliktų tyrimų.
Atlikus daugybę eksperimentų naudojant katodinių spindulių vamzdžius (žinomus kaip Crookes vamzdis ), Thomsonas pastebėjo, kad katodinius spindulius gali nukreipti elektriniai ir magnetiniai laukai. Jis padarė išvadą, kad jie buvo sudaryti ne iš šviesos, o iš neigiamai įkrautų dalelių, kurios buvo 100 kartų mažesnės ir 1800 kartų lengvesnės už vandenilį.
Johno Daltono pasiūlytas Slyvų pudingo atomo modelis. Kreditas: britannica.com
Tai veiksmingai paneigė mintį, kad vandenilio atomas yra mažiausias materijos vienetas, ir Thompsonas dar labiau teigdamas, kad atomai dalijasi. Siekdamas paaiškinti bendrą atomo krūvį, kurį sudaro ir teigiami, ir neigiami krūviai, Thompsonas pasiūlė modelį, pagal kurį neigiamo krūvio „kūneliai“ pasiskirsto tolygioje teigiamo krūvio jūroje, vadinamoje Slyvų pudingo modelis .
Vėliau šie korpuseliai bus pavadinti „elektronais“, remiantis teorine dalele, kurią 1874 m. numatė anglo-airių fizikas George'as Johnstone'as Stoney. Ir iš to gimė Slyvų pudingo modelis, pavadintas taip, nes labai panašus į Anglijos dykumą, kurią sudaro slyvų pyragas ir razinos. Ši koncepcija pasauliui buvo pristatyta 1904 m. kovo mėnesio JK leidime Filosofinis žurnalas ,sulaukti plataus pripažinimo.
Standartinio modelio kūrimas:
Vėlesni eksperimentai atskleidė daugybę mokslinių problemų, susijusių su Slyvų pudingo modeliu. Pirmiausia kilo problema parodyti, kad atomas turi vienodą teigiamą foninį krūvį, kuris buvo žinomas kaip „Tomsono problema“. Po penkerių metų modelį paneigs Hansas Geigeris ir Ernestas Marsdenas, atlikę daugybę eksperimentų naudodami alfa daleles ir aukso foliją. ' aukso folijos eksperimentas .
Šiame eksperimente Geigeris ir Marsdenas išmatavo alfa dalelių sklaidos modelį fluorescenciniu ekranu. Jei Thomsono modelis būtų teisingas, alfa dalelės netrukdomai pereitų per folijos atominę struktūrą. Tačiau jie pažymėjo, kad nors dauguma šaudė tiesiai, kai kurie iš jų buvo išsklaidyti įvairiomis kryptimis, o kai kurie grįžta šaltinio kryptimi.
Helio atomo atominės struktūros vaizdavimas. Kreditas: Creative Commons
Geigeris ir Marsdenas padarė išvadą, kad dalelės susidūrė su daug didesne elektrostatine jėga, nei leidžia Thomsono modelis. Kadangi alfa dalelės yra tik helio branduoliai (kurie yra teigiamai įkrauti), tai reiškė, kad teigiamas krūvis atome nebuvo plačiai pasklidęs, o sutelktas mažame tūryje. Be to, tai, kad tos dalelės, kurios nebuvo nukreiptos, praeidavo netrukdomai, reiškė, kad šias teigiamas erdves skyrė didžiulės tuščios erdvės įlankos.
Iki 1911 m. fizikas Ernestas Rutherfordas išaiškino Geigerio-Marsdeno eksperimentus ir atmetė Thomsono atomo modelį. Vietoj to jis pasiūlė modelį, kuriame atomą daugiausia sudarytų tuščia erdvė, o visas jo teigiamas krūvis sutelktas jo centre labai mažame tūryje, kurį supa elektronų debesis. Tai buvo žinoma kaip Rutherfordo modelis atomo.
Vėlesni Antonius Van den Broek ir Niels Bohr eksperimentai dar labiau patobulino modelį. Van den Broekas teigė, kad elemento atominis skaičius yra labai panašus į jo branduolinį krūvį, o pastarasis pasiūlė į Saulės sistemą panašų atomo modelį, kuriame branduolyje yra teigiamo krūvio atominis skaičius ir jį supa lygus elektronų skaičius orbitiniuose apvalkaluose (dar žinomas kaip Bohro modelis ).
Elektronų debesies modelis:
1920-aisiais austrų fizikas Erwinas Schrodingeris susižavėjo Maxo Plancko, Alberto Einšteino, Nielso Bohro, Arnoldo Sommerfeldo ir kitų fizikų teorijomis. Per tą laiką jis taip pat įsitraukė į atomų teorijos ir spektrų sritis, tyrinėjo Ciuricho universitete, o vėliau Friedricho Vilhelmo universitete Berlyne (kur 1927 m. pakeitė Plancką).
Menininko Electron Cloud modelio koncepcija, kuri apibūdino tikėtiną elektronų orbitų vietą laikui bėgant. Kreditas: Pearson Prentice Hall
1926 m. Schrödingeris nagrinėjo bangų funkcijų ir elektronų klausimą daugelyje straipsnių. Be to, kad apibūdintų tai, kas bus žinoma kaip Schrodingerio lygtis – dalinė diferencialinė lygtis, apibūdinanti, kaip kvantinės sistemos kvantinė būsena kinta laikui bėgant, jis taip pat panaudojo matematines lygtis, kad apibūdintų tikimybę rasti elektroną tam tikroje padėtyje. .
Tai tapo pagrindu tam, kas bus žinoma kaip elektronų debesies (arba kvantinės mechaninės) modelis, taip pat Schrodingerio lygtis. Remiantis kvantine teorija, kuri teigia, kad visa materija turi savybių, susijusių su bangine funkcija, elektronų debesies modelis skiriasi nuo Boro modelio tuo, kad jis neapibrėžia tikslaus elektrono kelio.
Vietoj to, jis numato tikėtiną elektrono vietos padėtį, remdamasis tikimybių funkcija. Tikimybių funkcija iš esmės apibūdina į debesį panašią sritį, kurioje greičiausiai bus rastas elektronas, taigi ir pavadinimas. Ten, kur debesis yra tankiausias, tikimybė rasti elektroną yra didžiausia; o ten, kur elektrono yra mažiau, debesis yra mažiau tankus.
Šios tankios sritys yra žinomos kaip „elektronų orbitalės“, nes jos yra labiausiai tikėtina vieta, kur bus rastas orbitoje besisukantis elektronas. Išplėtę šį „debesies“ modelį į 3 dimensiją, matome štangos arba gėlės formos atomą (kaip paveikslėlyje viršuje). Čia išsišakojusios sritys yra tos, kuriose greičiausiai rasime elektronus.
Schrodingerio darbo dėka mokslininkai pradėjo suprasti, kad kvantinės mechanikos srityje neįmanoma žinoti tikslios elektrono padėties ir impulso tuo pačiu metu. Nepriklausomai nuo to, ką stebėtojas iš pradžių žino apie dalelę, jis gali numatyti tik tolesnę jos vietą arba pagreitį tikimybių požiūriu.
Jokiu metu jie negalės nustatyti nė vieno iš jų. Tiesą sakant, kuo daugiau jie žinos apie dalelės impulsą, tuo mažiau žinos apie jos vietą ir atvirkščiai. Tai šiandien žinoma kaip „neapibrėžtumo principas“.
Atkreipkite dėmesį, kad ankstesnėje pastraipoje minėtas orbitas sudaro vandenilio atomas (t. y. tik vienas elektronas). Dirbant su atomais, turinčiais daugiau elektronų, elektronų orbitos sritys tolygiai pasiskirsto į sferinį neryškų rutulį. Čia labiausiai tinka terminas „elektronų debesis“.
Šis indėlis buvo visuotinai pripažintas vienu iš brangiai kainuojančių XX amžiaus indėlių, sukėlusių revoliuciją fizikos, kvantinės mechanikos ir visų mokslų srityse. Nuo tada mokslininkai nebedirbo visatoje, kuriai būdingi laiko ir erdvės absoliučiai, o kvantiniais neapibrėžtumais ir laiko-erdvės reliatyvumu!
„Universe Today“ parašėme daug įdomių straipsnių apie atomus ir atomų modelius. Štai Kas yra Johno Daltono atominis modelis? , Kas yra slyvų pudingo modelis? , Kas yra Bohro atominis modelis? , Kas buvo Demokritas? , ir Kokios yra atomo dalys?
Norėdami gauti daugiau informacijos, būtinai patikrinkite Kas yra kvantinė mechanika? iš Live Science.
„Astronomy Cast“ taip pat turi epizodą šia tema, pvz 130 serija: Radijo astronomija , 138 serija: Kvantinė mechanika , ir 252 serija: Heisenbergo neapibrėžtumo principas