Ilgu laiku atoma uzbūve bija diskutabls temats fiziķu vidū, līdz parādījās dāņu zinātnieka Nīla Bora radītais modelis. Viņš nebija pirmais, kurš mēģināja aprakstīt subatomisko daļiņu kustību, taču tieši viņa attīstība ļāva izveidot konsekventu teoriju ar spēju paredzēt elementārdaļiņu atrašanās vietu vienā vai otrā reizē.
Dzīves ceļš
Nīls Bors dzimis 1885. gada 7. oktobrī Kopenhāgenā un tur miris 1962. gada 18. novembrī. Viņš tiek uzskatīts par vienu no lielākajiem fiziķiem, un nav brīnums: tieši viņam izdevās izveidot konsekventu ūdeņražam līdzīgu atomu modeli. Saskaņā ar leģendu, viņš sapnī redzēja, kā kaut kas līdzīgs planētām griežas ap noteiktu gaišu, retinātu centru. Pēc tam šī sistēma krasi saruka līdz mikroskopiskam izmēram.
Kopš tā laika Bors ir cītīgi meklējis veidu, kā sapni pārvērst formulās un tabulās. Rūpīgi pētot mūsdienu fizikas literatūru, eksperimentējot laboratorijā un domājot, viņš spēja sasniegt savumērķi. Pat iedzimta kautrība viņam netraucēja publicēt rezultātus: viņam bija neērti runāt lielas auditorijas priekšā, viņš sāka apjukt, un publika neko nesaprata no zinātnieka paskaidrojumiem.
Prekursori
Pirms Bora zinātnieki mēģināja izveidot atoma modeli, pamatojoties uz klasiskās fizikas postulātiem. Veiksmīgākais mēģinājums piederēja Ernestam Raterfordam. Daudzu eksperimentu rezultātā viņš nonāca pie secinājuma par masīva atoma kodola esamību, ap kuru elektroni pārvietojas orbītās. Tā kā grafiski šāds modelis bija līdzīgs Saules sistēmas uzbūvei, aiz tā tika nostiprināts planētas nosaukums.
Bet tam bija būtisks trūkums: Raterforda vienādojumiem atbilstošais atoms izrādījās nestabils. Agrāk vai vēlāk elektroniem, pārvietojoties ar paātrinājumu orbītās ap kodolu, bija jākrīt uz kodolu, un to enerģija tiks tērēta elektromagnētiskajam starojumam. Boram Rezerforda modelis kļuva par sākumpunktu savas teorijas veidošanā.
Bora pirmais postulāts
Bora galvenais jauninājums bija klasiskās Ņūtona fizikas izmantošanas noraidīšana atoma teorijas konstruēšanā. Izpētījis laboratorijā iegūtos datus, viņš nonāca pie secinājuma, ka tik svarīgs elektrodinamikas likums kā vienmērīgi paātrināta kustība bez viļņu starojuma elementārdaļiņu pasaulē nedarbojas.
Viņa pārdomu rezultāts bija likums, kas izklausās šādi: atomu sistēma ir stabila tikai tad, ja tā atrodas kādā no iespējamām stacionārajām.(kvantu) stāvokļi, no kuriem katrs atbilst noteiktai enerģijai. Šī likuma, ko citādi sauc par kvantu stāvokļu postulātu, nozīme ir atzīt elektromagnētiskā starojuma neesamību, kad atoms atrodas šādā stāvoklī. Arī pirmā postulāta sekas ir enerģijas līmeņu klātbūtnes atpazīšana atomā.
Frekvences noteikums
Tomēr bija skaidrs, ka atoms nevar vienmēr atrasties vienā kvantu stāvoklī, jo stabilitāte noliedz jebkādu mijiedarbību, kas nozīmē, ka tajā nebūtu ne Visuma, ne kustības. Šķietamā pretruna tika atrisināta ar otro Bora atomu struktūras modeļa postulātu, kas pazīstams kā frekvences likums. Atoms spēj pāriet no viena kvantu stāvokļa citā ar atbilstošām enerģijas izmaiņām, izstarojot vai absorbējot kvantu, kura enerģija ir vienāda ar stacionāro stāvokļu enerģiju starpību.
Otrais postulāts arī ir pretrunā ar klasisko elektrodinamiku. Saskaņā ar Maksvela teoriju elektrona kustības raksturs nevar ietekmēt tā starojuma frekvenci.
Atomu spektrs
Bora kvantu modelis bija iespējams, rūpīgi izpētot atoma spektru. Zinātniekus ilgu laiku samulsināja tas, ka paredzamā nepārtrauktā krāsu apgabala vietā, kas iegūts, pētot debess ķermeņu spektrus, atoma spektrogramma bija pārtraukta. Spilgtas krāsas līnijas neplūda viena otrā, bet tika atdalītas ar iespaidīgiem tumšiem laukumiem.
Teorija par elektronu pāreju no viena kvantu stāvokļa uzcits skaidroja šo dīvainību. Kad elektrons pārcēlās no viena enerģijas līmeņa uz citu, kur no tā bija nepieciešams mazāk enerģijas, tas izstaroja kvantu, kas tika atspoguļots spektrogrammā. Bora teorija nekavējoties parādīja spēju paredzēt turpmākas izmaiņas vienkāršu atomu, piemēram, ūdeņraža, spektros.
Trūkumi
Bora teorija pilnībā nepārkāpa klasisko fiziku. Viņa joprojām saglabāja ideju par elektronu orbitālo kustību kodola elektromagnētiskajā laukā. Ideja par kvantēšanu, pārejot no viena stacionāra stāvokļa uz citu, veiksmīgi papildināja planētu modeli, taču joprojām neatrisināja visas pretrunas.
Lai gan Bora modeļa gaismā elektrons nevarēja nonākt spirālveida kustībā un iekrist kodolā, nepārtraukti izstarojot enerģiju, joprojām nav skaidrs, kāpēc tas nevarēja secīgi pacelties līdz augstākiem enerģijas līmeņiem. Šajā gadījumā visi elektroni agrāk vai vēlāk nonāktu zemākās enerģijas stāvoklī, kas novestu pie atoma iznīcināšanas. Vēl viena problēma bija atomu spektru anomālijas, kuras teorija nepaskaidroja. 1896. gadā Pīters Zīmans veica ziņkārīgu eksperimentu. Viņš ievietoja atomu gāzi magnētiskajā laukā un paņēma spektrogrammu. Izrādījās, ka dažas spektrālās līnijas sadalījās vairākās. Šāda ietekme Bora teorijā netika izskaidrota.
Ūdeņraža atoma modeļa izveide saskaņā ar Boru
Neskatoties uz visiem viņa teorijas trūkumiem, Nīls Bors spēja izveidot reālistisku ūdeņraža atoma modeli. To darot, viņš izmantoja frekvences likumu un klasikas likumusmehānika. Bora aprēķini, lai noteiktu iespējamos elektronu orbītu rādiusus un aprēķinātu kvantu stāvokļu enerģiju, izrādījās diezgan precīzi un tika eksperimentāli apstiprināti. Elektromagnētisko viļņu emisijas un absorbcijas frekvences atbilda tumšo spraugu atrašanās vietai spektrogrammās.
Tādējādi, izmantojot ūdeņraža atoma piemēru, tika pierādīts, ka katrs atoms ir kvantu sistēma ar diskrētiem enerģijas līmeņiem. Turklāt zinātnieks varēja atrast veidu, kā apvienot klasisko fiziku un viņa postulātus, izmantojot atbilstības principu. Tajā teikts, ka kvantu mehānika ietver Ņūtona fizikas likumus. Noteiktos apstākļos (piemēram, ja kvantu skaitlis bija pietiekami liels) kvantu un klasiskā mehānika saplūst. To pierādīja fakts, ka, palielinoties kvantu skaitlim, tumšo spraugu garums spektrā samazinājās līdz pilnīgai izzušanai, kā tas bija paredzēts Ņūtona koncepciju gaismā.
Nozīme
Atbilstības principa ieviešana ir kļuvusi par svarīgu starpposmu ceļā uz īpašās kvantu mehānikas esamības atzīšanu. Bora atoma modelis daudziem ir kļuvis par sākumpunktu, veidojot precīzākas teorijas par subatomisko daļiņu kustību. Nīls Bors nevarēja atrast precīzu kvantēšanas noteikuma fizisku interpretāciju, taču arī to nevarēja izdarīt, jo elementārdaļiņu viļņu īpašības tika atklātas tikai laika gaitā. Louis de Broglie, papildinot Bora teoriju ar jauniem atklājumiem, pierādīja, ka katra orbīta, saskaņā arkuru elektrons kustina, ir vilnis, kas izplatās no kodola. No šī viedokļa atoma stacionāro stāvokli sāka uzskatīt par tādu, ka tas veidojas gadījumā, kad vilnis, veicot pilnīgu apgriezienu ap kodolu, atkārtojas.
