I lang tid var atomets struktur et diskutabelt emne blandt fysikere, indtil en model skabt af den danske videnskabsmand Niels Bohr dukkede op. Han var ikke den første, der forsøgte at beskrive subatomære partiklers bevægelse, men det var hans udvikling, der gjorde det muligt at skabe en konsistent teori med evnen til at forudsige placeringen af en elementarpartikel på et eller andet tidspunkt.
Livssti
Niels Bohr blev født den 7. oktober 1885 i København og døde der den 18. november 1962. Han betragtes som en af de største fysikere, og ikke så mærkeligt: det var ham, der formåede at bygge en konsekvent model af brintlignende atomer. Ifølge legenden så han i en drøm, hvordan noget som planeter kredsede omkring et bestemt lysende, fortyndet center. Dette system krympede derefter drastisk til mikroskopisk størrelse.
Siden da har Bohr søgt hårdt efter en måde at omsætte drømmen til formler og tabeller. Ved omhyggeligt at studere den moderne litteratur om fysik, eksperimentere i laboratoriet og tænke, var han i stand til at opnå sinmål. Selv medfødt generthed forhindrede ham ikke i at offentliggøre resultaterne: han var flov over at tale foran et stort publikum, han begyndte at blive forvirret, og publikum forstod intet af videnskabsmandens forklaringer.
Forløbere
Før Bohr forsøgte videnskabsmænd at skabe en model af atomet baseret på postulater fra klassisk fysik. Det mest succesrige forsøg tilhørte Ernest Rutherford. Som et resultat af talrige eksperimenter kom han til konklusionen om eksistensen af en massiv atomkerne, omkring hvilken elektroner bevæger sig i kredsløb. Da en sådan model grafisk lignede solsystemets struktur, blev navnet på den planetariske forstærket bagved.
Men det havde en væsentlig ulempe: Atomet svarende til Rutherford-ligningerne viste sig at være ustabilt. Før eller siden måtte elektronerne, der bevægede sig med acceleration i kredsløb omkring kernen, falde på kernen, og deres energi ville blive brugt på elektromagnetisk stråling. For Bohr blev Rutherford-modellen udgangspunktet for at bygge sin egen teori.
Bohrs første postulat
Bohrs vigtigste nyskabelse var afvisningen af brugen af klassisk newtonsk fysik i konstruktionen af teorien om atomet. Efter at have studeret data opnået i laboratoriet kom han til den konklusion, at en så vigtig lov for elektrodynamikken som ensartet accelereret bevægelse uden bølgestråling ikke virker i elementarpartiklernes verden.
Resultatet af hans refleksioner var en lov, der lyder sådan her: et atomsystem er kun stabilt, hvis det er i en af de mulige stationære(kvante) tilstande, som hver svarer til en bestemt energi. Betydningen af denne lov, ellers kaldet postulatet af kvantetilstande, er at anerkende fraværet af elektromagnetisk stråling, når et atom er i en sådan tilstand. En konsekvens af det første postulat er også erkendelsen af tilstedeværelsen af energiniveauer i atomet.
Frekvensregel
Det var imidlertid indlysende, at et atom ikke altid kan være i den samme kvantetilstand, da stabilitet nægter enhver interaktion, hvilket betyder, at der hverken ville være universet eller bevægelse i det. Den tilsyneladende modsigelse blev løst af det andet postulat i Bohrs atomstrukturmodel, kendt som frekvensreglen. Et atom er i stand til at bevæge sig fra en kvantetilstand til en anden med en tilsvarende ændring i energi, udsender eller absorberer et kvante, hvis energi er lig med forskellen mellem energierne i de stationære tilstande.
Det andet postulat modsiger også klassisk elektrodynamik. Ifølge Maxwells teori kan arten af en elektrons bevægelse ikke påvirke frekvensen af dens stråling.
Atomspektrum
Bohrs kvantemodel blev muliggjort ved omhyggelig undersøgelse af atomets spektrum. I lang tid var videnskabsmænd flov over, at i stedet for det forventede kontinuerlige farveområde opnået ved at studere himmellegemernes spektre, var atomets spektrogram diskontinuerligt. Linjer med lyse farver flød ikke ind i hinanden, men var adskilt af imponerende mørke områder.
Teori om elektronovergang fra én kvantetilstand tilen anden forklarede denne mærkelighed. Når en elektron bevægede sig fra et energiniveau til et andet, hvor der krævedes mindre energi af den, udsendte den et kvante, som blev reflekteret i spektrogrammet. Bohrs teori demonstrerede straks evnen til at forudsige yderligere ændringer i spektrene af simple atomer som brint.
Flaws
Bohrs teori brød ikke helt med klassisk fysik. Hun bevarede stadig ideen om elektronernes orbitale bevægelse i kernens elektromagnetiske felt. Ideen om kvantisering under overgangen fra en stationær tilstand til en anden supplerede med succes planetmodellen, men løste stadig ikke alle modsætninger.
Selv om elektronen i lyset af Bohrs model ikke kunne gå ind i en spiralbevægelse og falde ind i kernen og konstant udstråle energi, forblev det uklart, hvorfor den ikke successivt kunne stige til højere energiniveauer. I dette tilfælde ville alle elektroner før eller siden ende i den laveste energitilstand, hvilket ville føre til ødelæggelse af atomet. Et andet problem var anomalier i atomspektre, som teorien ikke forklarede. Tilbage i 1896 gennemførte Peter Zeeman et besynderligt eksperiment. Han placerede en atomgas i et magnetfelt og tog et spektrogram. Det viste sig, at nogle spektrallinjer delte sig i flere. En sådan effekt blev ikke forklaret i Bohrs teori.
Opbygning af en model af brintatomet ifølge Bohr
På trods af alle manglerne i hans teori var Niels Bohr i stand til at bygge en realistisk model af brintatomet. Derved brugte han frekvensreglen og klassiske lovemekanik. Bohrs beregninger til at bestemme de mulige radier af elektronbaner og beregne energien af kvantetilstande viste sig at være ret nøjagtige og blev bekræftet eksperimentelt. Frekvenserne for emission og absorption af elektromagnetiske bølger svarede til placeringen af mørke huller på spektrogrammerne.
Ved at bruge eksemplet med brintatomet blev det bevist, at hvert atom er et kvantesystem med diskrete energiniveauer. Derudover var videnskabsmanden i stand til at finde en måde at kombinere klassisk fysik og hans postulater ved hjælp af korrespondanceprincippet. Den siger, at kvantemekanikken omfatter lovene i newtonsk fysik. Under visse forhold (for eksempel hvis kvantetallet var stort nok), konvergerer kvantemekanik og klassisk mekanik. Dette blev bevist af det faktum, at med en stigning i kvantetallet faldt længden af mørke huller i spektret indtil fuldstændig forsvinden, som forventet i lyset af Newtonske koncepter.
Meaning
Introduktionen af korrespondanceprincippet er blevet et vigtigt mellemtrin i retning af anerkendelsen af eksistensen af speciel kvantemekanik. Bohrs model af atomet er for mange blevet et udgangspunkt for at konstruere mere præcise teorier om subatomære partiklers bevægelse. Niels Bohr var ikke i stand til at finde en nøjagtig fysisk fortolkning af kvantiseringsreglen, men det kunne han heller ikke, da elementarpartiklernes bølgeegenskaber først blev opdaget over tid. Louis de Broglie, der supplerede Bohrs teori med nye opdagelser, beviste, at hver bane, iflg.som elektronen flytter er en bølge, der forplanter sig fra kernen. Fra dette synspunkt begyndte atomets stationære tilstand at blive betragtet som sådan, at den dannes i det tilfælde, hvor bølgen, efter at have foretaget en fuldstændig omdrejning omkring kernen, gentager sig.