Trong một thời gian dài, cấu trúc của nguyên tử là một chủ đề gây tranh cãi giữa các nhà vật lý, cho đến khi một mô hình do nhà khoa học Đan Mạch Niels Bohr tạo ra xuất hiện. Ông không phải là người đầu tiên cố gắng mô tả chuyển động của các hạt hạ nguyên tử, nhưng chính sự phát triển của ông đã giúp tạo ra một lý thuyết nhất quán với khả năng dự đoán vị trí của một hạt cơ bản tại thời điểm này hay thời điểm khác.
Đường đời
Niels Bohr sinh ngày 7 tháng 10 năm 1885 tại Copenhagen và mất tại đó ngày 18 tháng 11 năm 1962. Ông được coi là một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất, và không có gì lạ: chính ông là người đã xây dựng được một mô hình nhất quán của các nguyên tử giống hydro. Theo truyền thuyết, ông đã nhìn thấy trong một giấc mơ như thế nào mà một thứ giống như các hành tinh xoay quanh một trung tâm hiếm có phát sáng nhất định. Hệ thống này sau đó sẽ thu nhỏ đáng kể xuống kích thước siêu nhỏ.
Kể từ đó, Bohr đã miệt mài tìm cách chuyển giấc mơ thành công thức và bảng biểu. Bằng cách nghiên cứu cẩn thận các tài liệu hiện đại về vật lý, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và suy nghĩ, ông đã có thể đạt đượcbàn thắng. Ngay cả sự nhút nhát bẩm sinh cũng không ngăn cản anh ấy công bố kết quả: anh ấy xấu hổ khi nói trước một lượng lớn khán giả, anh ấy bắt đầu bối rối và khán giả không hiểu gì từ những giải thích của nhà khoa học.
Tiền thân
Trước Bohr, các nhà khoa học đã cố gắng tạo ra một mô hình nguyên tử dựa trên các định đề của vật lý cổ điển. Nỗ lực thành công nhất thuộc về Ernest Rutherford. Kết quả của nhiều thí nghiệm, ông đã đi đến kết luận về sự tồn tại của một hạt nhân nguyên tử khối lượng lớn, xung quanh đó các electron chuyển động theo quỹ đạo. Vì về mặt đồ thị, một mô hình tương tự như cấu trúc của hệ mặt trời, nên tên của hành tinh đã được củng cố đằng sau nó.
Nhưng nó có một nhược điểm đáng kể: nguyên tử tương ứng với phương trình Rutherford hóa ra không ổn định. Không sớm thì muộn, các electron, chuyển động với gia tốc trong quỹ đạo xung quanh hạt nhân, phải rơi vào hạt nhân, và năng lượng của chúng sẽ được sử dụng cho bức xạ điện từ. Đối với Bohr, mô hình Rutherford đã trở thành điểm khởi đầu trong việc xây dựng lý thuyết của riêng ông.
Định đề đầu tiên của Bohr
Cải tiến chính củaBohr là bác bỏ việc sử dụng vật lý Newton cổ điển trong việc xây dựng lý thuyết về nguyên tử. Sau khi nghiên cứu dữ liệu thu được trong phòng thí nghiệm, ông đã đi đến kết luận rằng định luật điện động lực học quan trọng như chuyển động có gia tốc đều mà không có bức xạ sóng không hoạt động trong thế giới của các hạt cơ bản.
Kết quả của những phản ánh của anh ấy là một định luật giống như sau: một hệ thống nguyên tử chỉ ổn định nếu nó nằm trong một trong những hệ thống có thể đứng yên(lượng tử) các trạng thái, mỗi trạng thái tương ứng với một năng lượng nhất định. Ý nghĩa của định luật này, hay được gọi là định đề về trạng thái lượng tử, là thừa nhận sự vắng mặt của bức xạ điện từ khi một nguyên tử ở trạng thái như vậy. Ngoài ra, một hệ quả của định đề đầu tiên là việc thừa nhận sự hiện diện của các mức năng lượng trong nguyên tử.
Quy tắc tần suất
Tuy nhiên, rõ ràng là một nguyên tử không thể luôn ở cùng một trạng thái lượng tử, vì sự ổn định phủ nhận bất kỳ tương tác nào, có nghĩa là sẽ không có Vũ trụ và chuyển động trong đó. Sự mâu thuẫn rõ ràng đã được giải quyết bằng định đề thứ hai của mô hình cấu trúc nguyên tử của Bohr, được gọi là quy tắc tần số. Nguyên tử có thể chuyển từ trạng thái lượng tử này sang trạng thái lượng tử khác với sự thay đổi tương ứng về năng lượng, phát ra hoặc hấp thụ một lượng tử, năng lượng của chúng bằng sự chênh lệch giữa năng lượng của các trạng thái dừng.
Định đề thứ hai cũng mâu thuẫn với điện động lực học cổ điển. Theo lý thuyết của Maxwell, bản chất của chuyển động của một electron không thể ảnh hưởng đến tần số bức xạ của nó.
Quang phổ nguyên tử
Mô hình lượng tử củaBohr được tạo ra nhờ nghiên cứu cẩn thận về quang phổ của nguyên tử. Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã lúng túng rằng thay vì vùng màu liên tục như mong đợi thu được khi nghiên cứu quang phổ của các thiên thể, thì quang phổ của nguyên tử lại không liên tục. Các vạch màu sáng không bị chảy vào nhau mà được phân tách bằng các vùng tối ấn tượng.
Lý thuyết về sự chuyển electron từ một trạng thái lượng tử sangmột người khác giải thích sự kỳ quặc này. Khi một electron chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, nơi cần ít năng lượng hơn, nó sẽ phát ra một lượng tử, lượng tử này được phản ánh trong biểu đồ quang phổ. Lý thuyết của Bohr ngay lập tức chứng minh khả năng dự đoán những thay đổi tiếp theo trong quang phổ của các nguyên tử đơn giản như hydro.
Flaws
Lý thuyết của Bohr không hoàn toàn phá vỡ vật lý cổ điển. Cô vẫn giữ ý tưởng về quỹ đạo chuyển động của các electron trong trường điện từ của hạt nhân. Ý tưởng lượng tử hóa trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái tĩnh này sang trạng thái tĩnh khác đã bổ sung thành công cho mô hình hành tinh, nhưng vẫn không giải quyết được tất cả các mâu thuẫn.
Mặc dù dưới ánh sáng của mô hình Bohr, electron không thể chuyển động xoắn ốc và rơi vào hạt nhân, liên tục bức xạ năng lượng, vẫn chưa rõ tại sao nó không thể liên tiếp tăng lên các mức năng lượng cao hơn. Trong trường hợp này, tất cả các electron sớm hay muộn sẽ kết thúc ở trạng thái năng lượng thấp nhất, dẫn đến sự phá hủy nguyên tử. Một vấn đề khác là dị thường trong quang phổ nguyên tử mà lý thuyết này không giải thích được. Trở lại năm 1896, Peter Zeeman đã tiến hành một thí nghiệm gây tò mò. Ông đặt một khí nguyên tử trong một từ trường và chụp quang phổ. Hóa ra là một số vạch quang phổ tách thành nhiều vạch. Một hiệu ứng như vậy không được giải thích trong lý thuyết của Bohr.
Xây dựng mô hình nguyên tử hydro theo Bohr
Bất chấp tất cả những thiếu sót trong lý thuyết của mình, Niels Bohr đã có thể xây dựng một mô hình thực tế của nguyên tử hydro. Khi làm như vậy, ông đã sử dụng quy tắc tần số và quy luật cổ điểncơ khí. Các tính toán của Bohr để xác định bán kính có thể có của quỹ đạo electron và tính năng lượng của các trạng thái lượng tử hóa ra khá chính xác và đã được xác nhận bằng thực nghiệm. Các tần số phát xạ và hấp thụ sóng điện từ tương ứng với vị trí của các khoảng tối trên quang phổ.
Như vậy, bằng cách sử dụng ví dụ về nguyên tử hydro, người ta đã chứng minh rằng mỗi nguyên tử là một hệ lượng tử với các mức năng lượng rời rạc. Ngoài ra, nhà khoa học đã có thể tìm ra cách kết hợp vật lý cổ điển và các định đề của mình bằng cách sử dụng nguyên lý tương ứng. Nó nói rằng cơ học lượng tử bao gồm các định luật vật lý Newton. Trong những điều kiện nhất định (ví dụ, nếu số lượng tử đủ lớn), cơ học lượng tử và cơ học cổ điển hội tụ. Điều này đã được chứng minh bởi thực tế là với sự gia tăng số lượng tử, độ dài của các khoảng trống tối trong quang phổ giảm đến mức biến mất hoàn toàn, như mong đợi trong ánh sáng của các khái niệm Newton.
Có nghĩa là
Sự ra đời của nguyên lý tương ứng đã trở thành một bước trung gian quan trọng tiến tới việc thừa nhận sự tồn tại của cơ học lượng tử đặc biệt. Mô hình nguyên tử của Bohr đã trở thành điểm khởi đầu trong việc xây dựng các lý thuyết chính xác hơn về chuyển động của các hạt hạ nguyên tử. Niels Bohr không thể tìm ra cách giải thích vật lý chính xác về quy luật lượng tử hóa, nhưng ông cũng không thể làm được điều này, vì tính chất sóng của các hạt cơ bản chỉ được khám phá theo thời gian. Louis de Broglie, bổ sung lý thuyết của Bohr với những khám phá mới, đã chứng minh rằng mỗi quỹ đạo, theomà êlectron chuyển động là sóng truyền từ hạt nhân. Từ quan điểm này, trạng thái dừng của nguyên tử bắt đầu được coi là nó được hình thành trong trường hợp khi sóng, đã thực hiện một vòng quay hoàn toàn xung quanh hạt nhân, lặp lại.
