Początek XX wieku był bardzo pomyślny dla nauk. Oprócz Ernesta Rutherforda i Nielsa Bohra, który zrodził Standardowy model fizyki cząstek, był to także okres przełomów w dziedzinie mechaniki kwantowej. Dzięki trwającym badaniom nad zachowaniem elektronów naukowcy zaczęli proponować teorie, w których te cząstki elementarne zachowywały się w sposób sprzeczny z klasyczną fizyką newtonowską.
Jednym z takich przykładów jest model chmury elektronowej zaproponowany przez Erwina Schrodingera. Dzięki temu modelowi elektrony nie były już przedstawiane jako cząstki poruszające się wokół centralnego jądra na stałej orbicie. Zamiast tego Schrodinger zaproponował model, w którym naukowcy mogliby jedynie zgadywać, co do położenia elektronów. W związku z tym ich lokalizacje można opisać jedynie jako część „chmury” wokół jądra, w którym prawdopodobnie znajdują się elektrony.
Fizyka atomowa do XX wieku:
Najstarsze znane przykłady teorii atomowej pochodzą ze starożytnej Grecji i Indii, gdzie filozofowie tacy jak Demokryt postulowali, że cała materia składa się z małych, niepodzielnych i niezniszczalnych jednostek. Termin „atom” został wymyślony w starożytnej Grecji i dał początek szkole myślenia zwanej „atomizmem”. Jednak teoria ta była bardziej koncepcją filozoficzną niż naukową.
Dopiero w XIX wieku teoria atomów została wyartykułowana jako kwestia naukowa, przy czym przeprowadzono pierwsze oparte na dowodach eksperymenty. Na przykład na początku 1800 roku angielski naukowiec John Dalton wykorzystał koncepcję atomu, aby wyjaśnić, dlaczego pierwiastki chemiczne reagowały w pewien możliwy do zaobserwowania i przewidywalny sposób. Poprzez serię eksperymentów z udziałem gazów Dalton opracował tak zwaną Teorię Atomową Daltona.
Teoria ta rozszerzyła się na prawa konwersacji masy i określonych proporcji i sprowadziła się do pięciu przesłanek: pierwiastki w najczystszym stanie składają się z cząstek zwanych atomami; atomy określonego pierwiastka są takie same, aż do ostatniego atomu; atomy różnych pierwiastków można rozdzielić na podstawie ich ciężarów atomowych; atomy pierwiastków łączą się, tworząc związki chemiczne; atomy nie mogą być tworzone ani niszczone w reakcji chemicznej, zmienia się tylko ich grupowanie.
Odkrycie elektronu:
Pod koniec XIX wieku naukowcy zaczęli również teorii, że atom składa się z więcej niż jednej podstawowej jednostki. Jednak większość naukowców zaryzykowała, że jednostka ta będzie miała rozmiar najmniejszego znanego atomu - wodoru. Pod koniec XIX wieku zmieniłby się drastycznie dzięki badaniom naukowców takich jak Sir Joseph John Thomson.
Poprzez serię eksperymentów z wykorzystaniem lamp katodowych (znanych jako lampa Crookesa) Thomson zauważył, że promienie katodowe mogą być odchylane przez pola elektryczne i magnetyczne. Doszedł do wniosku, że zamiast składać się ze światła, były one zbudowane z ujemnie naładowanych cząstek, które były 1 razy razy mniejsze i 1800 razy lżejsze niż wodór.
To skutecznie obaliło pogląd, że atom wodoru był najmniejszą jednostką materii, a Thompson poszedł dalej, sugerując, że atomy są podzielne. Aby wyjaśnić całkowity ładunek atomu, który składał się zarówno z ładunków dodatnich, jak i ujemnych, Thompson zaproponował model, w którym ujemnie naładowane „ciałka” zostały rozmieszczone w jednolitym morzu ładunku dodatniego - znanym jako Model Budyń Śliwki.
Te ciałka zostaną później nazwane „elektronami” na podstawie teoretycznej cząstki przewidywanej przez anglo-irlandzkiego fizyka George'a Johnstone'a Stoneya w 1874 roku. Z tego narodził się Model Śliwkowego Budynia, nazwany tak, ponieważ bardzo przypominał angielską pustynię, na którą składają się: śliwkowe ciasto i rodzynki. Koncepcja została wprowadzona na świat w wydaniu brytyjskim z marca 1904 roku Magazyn filozoficzny, do uznania.
Opracowanie modelu standardowego:
Kolejne eksperymenty ujawniły szereg problemów naukowych z modelem Pudding Śliwkowy. Na początek problem polegał na wykazaniu, że atom ma jednolity dodatni ładunek tła, który stał się znany jako „Problem Thomsona”. Pięć lat później model zostałby obalony przez Hansa Geigera i Ernesta Marsdena, którzy przeprowadzili serię eksperymentów z wykorzystaniem cząstek alfa i złotej folii - aka. „eksperyment ze złotą folią”.
W tym eksperymencie Geiger i Marsden zmierzyli wzór rozproszenia cząstek alfa za pomocą ekranu fluorescencyjnego. Gdyby model Thomsona był poprawny, cząstki alfa bez przeszkód przechodziłyby przez strukturę atomową folii. Zauważyli jednak, że podczas gdy większość trafiła prosto, niektóre z nich były rozproszone w różnych kierunkach, a niektóre cofały się w kierunku źródła.
Geiger i Marsden doszli do wniosku, że cząstki napotkały siłę elektrostatyczną znacznie większą niż dopuszczalna w modelu Thomsona. Ponieważ cząstki alfa są po prostu jądrami helu (które są naładowane dodatnio), oznacza to, że ładunek dodatni w atomie nie był szeroko rozproszony, ale skoncentrowany w niewielkiej objętości. Ponadto fakt, że cząstki, które nie zostały odchylone, przechodziły bez przeszkód, oznaczały, że te dodatnie przestrzenie były oddzielone ogromnymi przepaściami pustej przestrzeni.
W 1911 roku fizyk Ernest Rutherford zinterpretował eksperymenty Geigera-Marsdena i odrzucił model atomu Thomsona. Zamiast tego zaproponował model, w którym atom składał się głównie z pustej przestrzeni, z całym ładunkiem dodatnim skoncentrowanym w jego centrum w bardzo małej objętości, otoczonej chmurą elektronów. To stało się znane jako model atomu Rutherforda.
Kolejne eksperymenty Antoniusa Van den Broeka i Nielsa Bohra dopracowały model. Podczas gdy Van den Broek zasugerował, że liczba atomowa pierwiastka jest bardzo podobna do jego ładunku jądrowego, ten ostatni zaproponował model atomu podobny do Układu Słonecznego, w którym jądro zawiera liczbę atomową ładunku dodatniego i jest otoczone równym liczba elektronów w powłokach orbitalnych (aka. Model Bohra).
Model chmury elektronowej:
W latach dwudziestych austriacki fizyk Erwin Schrodinger zafascynował się teoriami Maxa Plancka, Alberta Einsteina, Nielsa Bohra, Arnolda Sommerfelda i innych fizyków. W tym czasie zaangażował się również w teorię atomową i spektrum, badając na Uniwersytecie w Zurychu, a następnie na Uniwersytecie Friedricha Wilhelma w Berlinie (gdzie zastąpił Planck w 1927 r.).
W 1926 r. Schrödinger poruszył kwestię funkcji falowych i elektronów w szeregu artykułów. Oprócz opisu czegoś, co można by nazwać równaniem Schrodingera - równanie różniczkowe cząstkowe, które opisuje, jak zmienia się stan kwantowy układu kwantowego w czasie - wykorzystał również równania matematyczne do opisania prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w określonej pozycji .
Stało się to podstawą tak zwanego modelu chmury elektronów (lub mechaniki kwantowej), a także równania Schrodingera. W oparciu o teorię kwantową, która stwierdza, że cała materia ma właściwości związane z funkcją fali, model chmury elektronowej różni się od modelu Bohra tym, że nie określa dokładnej ścieżki elektronu.
Zamiast tego przewiduje prawdopodobne położenie położenia elektronu na podstawie funkcji prawdopodobieństwa. Funkcja prawdopodobieństwa w zasadzie opisuje region podobny do chmury, w którym prawdopodobnie znajduje się elektron, stąd nazwa. Tam, gdzie chmura jest najbardziej gęsta, prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe; a tam gdzie elektron jest mniej prawdopodobny, chmura jest mniej gęsta.
Te gęste regiony znane są jako „orbitale elektronowe”, ponieważ są najbardziej prawdopodobną lokalizacją, w której znajdzie się orbitujący elektron. Rozszerzając ten model „chmury” na trójwymiarową przestrzeń, widzimy sztangę lub atom w kształcie kwiatu (jak na obrazku u góry). Tutaj rozgałęzione regiony to te, w których najprawdopodobniej znajdziemy elektrony.
Dzięki pracy Schrodingera naukowcy zaczęli rozumieć, że w dziedzinie mechaniki kwantowej nie było możliwe dokładne poznanie dokładnej pozycji i pędu elektronu. Niezależnie od tego, co obserwator początkowo wie o cząstce, mogą jedynie przewidzieć jej kolejną lokalizację lub pęd pod względem prawdopodobieństwa.
W żadnym momencie nie będą w stanie ustalić żadnego z nich. W rzeczywistości im więcej wiedzą o pędzie cząstki, tym mniej będą wiedzieć o jej lokalizacji i odwrotnie. To jest dziś znane jako „Zasada nieoznaczoności”.
Zauważ, że orbitale wspomniane w poprzednim akapicie są utworzone przez atom wodoru (tj. Z tylko jednym elektronem). W przypadku atomów o większej liczbie elektronów obszary orbit elektronowych rozkładają się równomiernie na kulistą rozmytą kulę. W tym miejscu najbardziej odpowiedni jest termin „chmura elektronowa”.
Wkład ten został powszechnie uznany za jeden z najważniejszych kosztów XX wieku, który wywołał rewolucję w dziedzinie fizyki, mechaniki kwantowej i wszystkich nauk. Odtąd naukowcy nie pracowali już we wszechświecie charakteryzującym się absolutami czasu i przestrzeni, ale kwantowymi niepewnościami i względnością czasoprzestrzenną!
W Space Magazine napisaliśmy wiele interesujących artykułów o atomach i modelach atomowych. Oto, co to jest model atomowy Johna Daltona ?, co to jest pudding śliwkowy ?, co to jest model atomowy Bohra ?, kim był Demokryt? I jakie są części atomu?
Aby uzyskać więcej informacji, sprawdź, co to jest mechanika kwantowa? z Live Science.
Astronomy Cast ma także odcinek na ten temat, na przykład Odcinek 130: Radio Astronomy, Odcinek 138: Mechanika kwantowa i Odcinek 252: Zasada nieoznaczoności Heisenberga
