1900-luvun alku oli tieteille erittäin suotuisa aika. Ernest Rutherfordin ja Niels Bohrin lisäksi, joka synnytti hiukkasfysiikan standardimallin, se oli myös läpimurtojen aika kvanttimekaniikan alalla. Elektronien käyttäytymistä koskevien meneillään olevien tutkimusten ansiosta tutkijat alkoivat ehdottaa teorioita, joissa nämä alkuainehiukkaset käyttäytyivät tavalla, joka uhmasi klassista Newtonin fysiikkaa.
Yksi sellainen esimerkki on Erwin Schrodingerin ehdottama elektronipilvomalli. Tämän mallin ansiosta elektroneja ei enää kuvattu hiukkasina, jotka liikkuivat ytimen ympäri kiinteällä kiertoradalla. Sen sijaan Schrodinger ehdotti mallia, jolla tutkijat voisivat tehdä vain koulutettuja arvauksia elektronien sijainneista. Siksi niiden sijainnit voitaisiin kuvata vain olevan osa "pilviä" ytimen ympärillä, jossa elektronit todennäköisesti löytyvät.
Atomifysiikka 1900-luvulle:
Varhaisimmat tunnetut esimerkit atomiteoriasta ovat peräisin muinaisesta Kreikasta ja Intiasta, joissa filosofit, kuten Democritus, postuloivat, että kaikki aine koostui pienistä, jakamattomista ja tuhoutumattomista yksiköistä. Termi ”atomi” kehitettiin antiikin Kreikassa, ja se johti ajatuskouluun, joka tunnetaan nimellä “atomismi”. Tämä teoria oli kuitenkin enemmän filosofinen käsite kuin tieteellinen.
Vasta atomien teoriaa artikuloitiin vasta 1800-luvulla tieteelliseksi asiaksi, kun ensimmäiset todisteisiin perustuvat kokeet tehtiin. Esimerkiksi 1800-luvun alkupuolella englantilainen tutkija John Dalton käytti atomin käsitettä selittääkseen miksi kemialliset elementit reagoivat tietyillä havaittavissa olevilla ja ennustettavilla tavoilla. Kaasuihin liittyvien kokeilujen avulla Dalton kehitti edelleen niin kutsuttua Daltonin atomiteoriaa.
Tämä teoria laajeni massan ja tiettyjen mittasuhteiden keskustelulakeihin ja tuli viiteen oletukseen: elementit ovat puhtaimmassa tilassaan hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi; tietyn alkuaineen atomit ovat kaikki samoja aina viimeiseen atomiin asti; Eri elementtien atomit voidaan erottaa toisistaan niiden atomipainojen perusteella; alkuaineiden atomit yhdistyvät kemiallisten yhdisteiden muodostamiseksi; atomeja ei voida luoda tai tuhota kemiallisessa reaktiossa, vain ryhmittely muuttuu koskaan.
Elektronin löytö:
1800-luvun lopulla tutkijat alkoivat myös teorioida, että atomi koostui useammasta kuin yhdestä perusyksiköstä. Useimmat tutkijat uskoivat kuitenkin, että tämä yksikkö olisi pienimmän tunnetun atomin - vedyn - kokoinen. 1800-luvun loppuun mennessä hänen muutoksensa olisi tapahtunut dramaattisesti, tutkijoiden, kuten Sir Joseph John Thomson, tutkijoiden avulla.
Thomson havaitsi, että katodisäteputkia (tunnetaan Crookes 'Tube) käyttävien kokeiden avulla katodisäteitä voidaan ohjata sähkö- ja magneettikentän avulla. Hän päätteli, että sen sijaan, että ne koostuisivat valosta, ne koostuivat negatiivisesti varautuneista hiukkasista, jotka olivat 1 kertaa kertaa pienemmät ja 1800 kertaa kevyemmät kuin vety.
Tämä kumosi käytännössä käsityksen, että vetyatomi oli pienin aineyksikkö, ja Thompson meni pidemmälle ehdottaakseen atomien jakautumista. Selittääkseen atomin kokonaisvarauksen, joka koostui sekä positiivisista että negatiivisista varauksista, Thompson ehdotti mallia, jolla negatiivisesti varautuneet “runkokerrat” jakautuisi yhtenäiseen positiivisen varauksen mereen - joka tunnetaan nimellä Plum Pudding Model.
Näitä hiukkasia kutsutaan myöhemmin "elektroneiksi", jotka perustuvat englantilais-irlantilaisen fyysikon George Johnstone Stoneyn vuonna 1874 ennustamaan teoreettiseen hiukkasiin. Ja siitä syntyi Plum Pudding -malli, nimeltään, koska se muistutti läheisesti Englannin autiomaa, joka koostuu luumukakku ja rusinat. Konsepti esiteltiin maailmalle Ison-Britannian maaliskuun 1904 painos Philosophical Magazine, laajalti suosiota.
Vakiomallin kehittäminen:
Myöhemmät kokeet paljastivat lukuisia tieteellisiä ongelmia Plum Pudding -mallin kanssa. Ensinnäkin oli ongelma osoittaa, että atomilla oli tasainen positiivinen taustavaraus, jota kutsuttiin nimellä “Thomson-ongelma”. Viisi vuotta myöhemmin mallia hylkäsivät Hans Geiger ja Ernest Marsden, jotka tekivät sarjan kokeita, joissa käytettiin alfahiukkasia ja kultafolioa eli aka. "kultafolion kokeilu".
Tässä kokeessa Geiger ja Marsden mittasivat alfahiukkasten sirontakuvion fluoresoivalla seulalla. Jos Thomsonin malli olisi oikein, alfahiukkaset kulkisivat folion atomirakenteen esteettä. Kuitenkin, he huomauttivat sen sijaan, että vaikka suurin osa ampui suoraan läpi, jotkut heistä olivat hajallaan eri suuntiin, kun taas jotkut menivät takaisin lähteen suuntaan.
Geiger ja Marsden päättelivät, että hiukkaset olivat törmänneet sähköstaattiseen voimaan, joka on paljon suurempi kuin mitä Thomsonin malli sallii. Koska alfahiukkaset ovat vain heliumydimiä (jotka ovat positiivisesti varautuneita), tämä tarkoitti, että atomin positiivinen varaus ei hajaantunut laajasti, vaan keskittyi pieneen tilavuuteen. Lisäksi se, että nuo hiukkaset, joita ei taiputtu, läpäisivät esteettä, tarkoittivat, että nämä positiiviset tilat erotettiin valtavien tyhjän tilan kuilujen avulla.
Vuoteen 1911 mennessä fyysikko Ernest Rutherford tulkitsi Geiger-Marsden-kokeita ja hylkäsi Thomsonin mallin atomista. Sen sijaan hän ehdotti mallia, jossa atomi koostui pääosin tyhjästä tilasta, jonka kaikki positiiviset varaukset olivat keskittyneet sen keskukseen hyvin pienessä tilavuudessa, jota ympäröi elektronipilvi. Tätä kutsuttiin atomin Rutherford-malliksi.
Myöhemmät Antonius Van den Broekin ja Niels Bohrin kokeilut paransivat mallia edelleen. Vaikka Van den Broek ehdotti, että elementin atominumero on hyvin samanlainen kuin sen ydinvaraus, jälkimmäinen ehdotti atomin aurinkokunnan kaltaista mallia, jossa ydin sisältää positiivisen varauksen atomimäärän ja jota ympäröi sama elektronien lukumäärä kiertoradalla (tunnetaan myös nimellä Bohr-malli).
Elektronipilvimalli:
1920-luvulla itävaltalainen fyysikko Erwin Schrodinger kiehtoi teoista Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld ja muut fyysikot. Tänä aikana hän osallistui myös atomiteorian ja -spektrien aloihin tutkimalla Zürichin yliopistossa ja sitten Berliinin Friedrich Wilhelm -yliopistossa (missä hän seuraa Planckia vuonna 1927).
Vuonna 1926 Schrödinger käsitteli aaltofunktioiden ja elektronien kysymystä sarjasarjoissa. Sen lisäksi, että hän kuvasi Schrodingerin yhtälöä - osittaista differentiaaliyhtälöä, joka kuvaa kuinka kvanttijärjestelmän kvanttila muuttuu ajan myötä -, hän käytti myös matemaattisia yhtälöitä kuvaamaan todennäköisyyttä löytää elektronia tietystä sijainnista .
Tästä tuli perusta sille, jota kutsutaan elektronipilvomalliksi (tai kvanttimekaaniseksi), samoin kuin Schrodingerin yhtälö. Perustuen kvantiteoriaan, jonka mukaan kaikella aineella on ominaisuuksia, jotka liittyvät aaltofunktioon, elektronipilvomalli eroaa Bohr-mallista siinä, että se ei määrittele elektronin tarkkaa polkua.
Sen sijaan se ennustaa elektronin sijainnin todennäköisen sijainnin todennäköisyysfunktion perusteella. Todennäköisyysfunktio kuvaa periaatteessa pilvimaista aluetta, josta elektroni todennäköisesti löytyy, tästä myös nimi. Missä pilvi on tihein, elektronin löytämisen todennäköisyys on suurin; ja missä elektroni on vähemmän todennäköisesti, pilvi on vähemmän tiheä.
Nämä tiheät alueet tunnetaan nimellä "elektronien kiertoradat", koska ne ovat todennäköisimmin sijainti, josta kiertävä elektroni löytyy. Laajentamalla tätä “pilvimallia” kolmiulotteiseen tilaan, näemme tanko tai kukkamaisen atomin (kuten kuvan yläosassa). Tässä haaroittumisalueet ovat niitä alueita, joista todennäköisimmin löydämme elektroneja.
Schrodingerin työn ansiosta tutkijat alkoivat ymmärtää, että kvanttimekaniikan alalla oli mahdotonta tuntea elektronin tarkka sijainti ja vauhti samanaikaisesti. Riippumatta siitä, mitä tarkkailija tietää alun perin hiukkasesta, he voivat vain ennustaa sen seuraavan sijainnin tai vauhdin todennäköisyyksien perusteella.
He eivät milloin tahansa pysty selvittämään kumpaakaan niistä. Itse asiassa, mitä enemmän he tietävät hiukkasen nopeudesta, sitä vähemmän he tietävät sen sijainnista ja päinvastoin. Tätä kutsutaan nykyään ”epävarmuuden periaatteeksi”.
Huomaa, että edellisessä kappaleessa mainitut kiertoradat muodostuvat vetyatomilla (ts. Vain yhdellä elektronilla). Kun käsitellään atomeja, joissa on enemmän elektroneja, elektronien kiertorata-alueet jakautuvat tasaisesti pallomaiseksi sumeaksi palloksi. Tässä on termi 'elektronipilvi' sopivin.
Tämä panos tunnustettiin yleisesti yhdeksi 1900-luvun kustannus tärkeistä panoksista, ja se aiheutti vallankumouksen fysiikan, kvantimekaniikan ja todellakin kaikkien tieteiden aloilla. Sittemmin tutkijat eivät enää työskennelleet universumissa, jolle on tunnusomaista ajan ja tilan absoluutiot, vaan kvanttivarmuustekijöissä ja aika-avaruuden suhteellisuudessa!
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita atomeista ja atomimalleista täällä Space Magazine -lehdessä. Tässä on Mikä on John Daltonin atomimalli ?, Mikä on luumujen pudotusmalli ?, Mikä on Bohrin atomimalli ?, Kuka oli Democritus? Ja mitkä ovat atomin osia?
Jos haluat lisätietoja, tarkista, mikä on kvanttimekaniikka? Live Scienceltä.
Astronomy Cast -teoksessa on myös jakso aiheesta, kuten jakso 130: radioastronomia, jakso 138: kvanttimekaniikka ja jakso 252: Heisenbergin epävarmuusperiaate
