Sejak sekian lama, struktur atom menjadi topik yang boleh dipertikaikan di kalangan ahli fizik, sehingga model yang dicipta oleh saintis Denmark Niels Bohr muncul. Dia bukanlah orang pertama yang cuba menerangkan pergerakan zarah subatom, tetapi perkembangannya yang memungkinkan untuk mencipta teori yang konsisten dengan keupayaan untuk meramalkan lokasi zarah asas pada satu masa atau yang lain.
Laluan hidup
Niels Bohr dilahirkan pada 7 Oktober 1885 di Copenhagen dan meninggal dunia di sana pada 18 November 1962. Dia dianggap sebagai salah seorang ahli fizik terhebat, dan tidak hairanlah: dialah yang berjaya membina model atom seperti hidrogen yang konsisten. Menurut legenda, dia melihat dalam mimpi bagaimana sesuatu seperti planet berputar mengelilingi pusat jarang bercahaya tertentu. Sistem ini kemudiannya mengecil secara drastik kepada saiz mikroskopik.
Sejak itu, Bohr telah mencari cara untuk menterjemahkan impian itu ke dalam formula dan jadual. Dengan teliti mengkaji kesusasteraan moden mengenai fizik, bereksperimen di makmal dan berfikir, dia dapat mencapainyamatlamat. Malah rasa malu sejak lahir tidak menghalangnya daripada menerbitkan keputusan: dia malu untuk bercakap di hadapan khalayak yang ramai, dia mula keliru, dan penonton tidak memahami apa-apa daripada penjelasan saintis itu.
Prekursor
Sebelum Bohr, saintis cuba mencipta model atom berdasarkan postulat fizik klasik. Percubaan yang paling berjaya adalah milik Ernest Rutherford. Hasil daripada banyak eksperimen, dia membuat kesimpulan tentang kewujudan nukleus atom yang besar, di mana elektron bergerak dalam orbit. Oleh kerana secara grafik model sedemikian adalah serupa dengan struktur sistem suria, nama planet telah diperkukuhkan di belakangnya.
Tetapi ia mempunyai kelemahan yang ketara: atom yang sepadan dengan persamaan Rutherford ternyata tidak stabil. Lambat laun, elektron, yang bergerak dengan pecutan dalam orbit mengelilingi nukleus, terpaksa jatuh pada nukleus, dan tenaga mereka akan dibelanjakan untuk sinaran elektromagnet. Bagi Bohr, model Rutherford menjadi titik permulaan dalam membina teorinya sendiri.
dalil pertama Bohr
Inovasi utama Bohr ialah penolakan penggunaan fizik Newtonian klasik dalam pembinaan teori atom. Setelah mengkaji data yang diperoleh di makmal, dia membuat kesimpulan bahawa undang-undang elektrodinamik yang begitu penting seperti gerakan dipercepatkan secara seragam tanpa sinaran gelombang tidak berfungsi dalam dunia zarah asas.
Hasil pantulannya ialah hukum yang berbunyi seperti ini: sistem atom adalah stabil hanya jika ia berada dalam salah satu kemungkinan pegun(kuantum) menyatakan, setiap satunya sepadan dengan tenaga tertentu. Maksud undang-undang ini, atau dipanggil postulat keadaan kuantum, adalah untuk mengiktiraf ketiadaan sinaran elektromagnet apabila atom berada dalam keadaan sedemikian. Juga, akibat daripada postulat pertama ialah pengiktirafan kehadiran tahap tenaga dalam atom.
Peraturan kekerapan
Walau bagaimanapun, adalah jelas bahawa atom tidak boleh sentiasa berada dalam keadaan kuantum yang sama, kerana kestabilan menafikan sebarang interaksi, yang bermaksud bahawa tidak akan ada Alam Semesta mahupun pergerakan di dalamnya. Percanggahan yang jelas telah diselesaikan oleh postulat kedua model struktur atom Bohr, yang dikenali sebagai peraturan frekuensi. Atom boleh bergerak dari satu keadaan kuantum ke keadaan kuantum yang lain dengan perubahan tenaga yang sepadan, memancarkan atau menyerap kuantum, tenaga yang sama dengan perbezaan antara tenaga keadaan pegun.
Posulat kedua juga bercanggah dengan elektrodinamik klasik. Menurut teori Maxwell, sifat pergerakan elektron tidak boleh mempengaruhi frekuensi sinarannya.
Spektrum atom
Model kuantum Bohr diwujudkan dengan kajian teliti spektrum atom. Untuk masa yang lama, saintis berasa malu bahawa bukannya kawasan warna berterusan yang dijangkakan diperoleh dengan mengkaji spektrum jasad angkasa, spektrogram atom tidak berterusan. Garisan warna terang tidak mengalir antara satu sama lain, tetapi dipisahkan oleh kawasan gelap yang mengagumkan.
Teori peralihan elektron daripada satu keadaan kuantum kepadaseorang lagi menjelaskan keanehan ini. Apabila elektron bergerak dari satu tahap tenaga ke tahap lain, di mana kurang tenaga diperlukan daripadanya, ia memancarkan kuantum, yang dipantulkan dalam spektrogram. Teori Bohr segera menunjukkan keupayaan untuk meramalkan perubahan selanjutnya dalam spektrum atom ringkas seperti hidrogen.
Kecacatan
Teori Bohr tidak sepenuhnya pecah dengan fizik klasik. Dia masih mengekalkan idea tentang gerakan orbit elektron dalam medan elektromagnet nukleus. Idea pengkuantitian semasa peralihan dari satu keadaan pegun ke keadaan pegun yang lain berjaya melengkapkan model planet, tetapi masih tidak menyelesaikan semua percanggahan.
Walaupun berdasarkan model Bohr, elektron tidak boleh masuk ke dalam gerakan lingkaran dan jatuh ke dalam nukleus, memancarkan tenaga secara berterusan, masih tidak jelas mengapa ia tidak boleh meningkat secara berturut-turut ke tahap tenaga yang lebih tinggi. Dalam kes ini, semua elektron lambat laun akan berada dalam keadaan tenaga terendah, yang akan membawa kepada kemusnahan atom. Masalah lain ialah anomali dalam spektrum atom yang tidak dijelaskan oleh teori. Kembali pada tahun 1896, Peter Zeeman menjalankan eksperimen yang ingin tahu. Dia meletakkan gas atom dalam medan magnet dan mengambil spektrogram. Ternyata beberapa garis spektrum berpecah kepada beberapa. Kesan sedemikian tidak dijelaskan dalam teori Bohr.
Membina model atom hidrogen mengikut Bohr
Walaupun semua kelemahan teorinya, Niels Bohr dapat membina model atom hidrogen yang realistik. Dalam berbuat demikian, dia menggunakan peraturan kekerapan dan undang-undang klasikmekanik. Pengiraan Bohr untuk menentukan kemungkinan jejari orbit elektron dan mengira tenaga keadaan kuantum ternyata agak tepat dan disahkan secara eksperimen. Kekerapan pancaran dan penyerapan gelombang elektromagnet sepadan dengan lokasi jurang gelap pada spektrogram.
Oleh itu, dengan menggunakan contoh atom hidrogen, telah dibuktikan bahawa setiap atom adalah sistem kuantum dengan tahap tenaga diskret. Di samping itu, saintis itu dapat mencari cara untuk menggabungkan fizik klasik dan postulatnya menggunakan prinsip surat-menyurat. Ia menyatakan bahawa mekanik kuantum termasuk undang-undang fizik Newtonian. Di bawah keadaan tertentu (contohnya, jika nombor kuantum cukup besar), mekanik kuantum dan klasik bertumpu. Ini dibuktikan oleh fakta bahawa dengan peningkatan dalam nombor kuantum, panjang jurang gelap dalam spektrum berkurangan sehingga hilang sepenuhnya, seperti yang dijangkakan berdasarkan konsep Newtonian.
Maksud
Pengenalan prinsip surat-menyurat telah menjadi langkah perantaraan yang penting ke arah pengiktirafan kewujudan mekanik kuantum khas. Model atom Bohr telah menjadi titik permulaan bagi banyak orang dalam membina teori yang lebih tepat tentang gerakan zarah subatom. Niels Bohr tidak dapat mencari tafsiran fizikal yang tepat bagi peraturan pengkuantitian, tetapi dia juga tidak dapat melakukan ini, kerana sifat gelombang zarah asas ditemui hanya dari semasa ke semasa. Louis de Broglie, menambah teori Bohr dengan penemuan baru, membuktikan bahawa setiap orbit, menurutyang mana elektron bergerak ialah gelombang yang merambat dari nukleus. Dari sudut pandangan ini, keadaan pegun atom mula dipertimbangkan sedemikian rupa sehingga ia terbentuk dalam kes apabila gelombang, setelah membuat revolusi lengkap di sekeliling nukleus, berulang.
