لفترة طويلة ، كانت بنية الذرة موضوعًا مثيرًا للجدل بين علماء الفيزياء ، حتى ظهر نموذج ابتكره العالم الدنماركي نيلز بور. لم يكن أول من حاول وصف حركة الجسيمات دون الذرية ، لكن تطوراته هي التي جعلت من الممكن إنشاء نظرية متسقة مع القدرة على التنبؤ بموقع الجسيمات الأولية في وقت أو آخر.
مسار الحياة
ولد نيلز بور في 7 أكتوبر 1885 في كوبنهاغن وتوفي هناك في 18 نوفمبر 1962. يُعتبر أحد أعظم علماء الفيزياء ، ولا عجب أنه هو الذي تمكن من بناء نموذج ثابت من الذرات الشبيهة بالهيدروجين. وفقًا للأسطورة ، رأى في المنام كيف أن شيئًا مثل الكواكب يدور حول مركز مخلخل مضيء معين. ثم تقلص هذا النظام بشكل كبير إلى الحجم المجهري.
منذ ذلك الحين ، يبحث بور بجد عن طريقة لترجمة الحلم إلى صيغ وجداول. من خلال دراسة الأدب الحديث في الفيزياء بعناية ، وإجراء التجارب في المختبر والتفكير ، تمكن من تحقيق ما لديهالأهداف. حتى الخجل الخلقي لم يمنعه من نشر النتائج: فقد كان محرجًا من التحدث أمام جمهور كبير ، وبدأ في الارتباك ، ولم يفهم الجمهور شيئًا من تفسيرات العالم.
السلائف
قبل بوهر ، حاول العلماء إنشاء نموذج للذرة بناءً على افتراضات الفيزياء الكلاسيكية. كانت المحاولة الأكثر نجاحًا تعود إلى إرنست رذرفورد. نتيجة للعديد من التجارب ، توصل إلى استنتاج حول وجود نواة ذرية ضخمة ، تتحرك حولها الإلكترونات في مدارات. نظرًا لأن مثل هذا النموذج من الناحية الرسومية كان مشابهًا لهيكل النظام الشمسي ، فقد تم تعزيز اسم الكواكب خلفه.
لكن كان لها عيب كبير: الذرة المقابلة لمعادلات رذرفورد تبين أنها غير مستقرة. عاجلاً أم آجلاً ، كان على الإلكترونات ، التي تتحرك مع تسارع في المدارات حول النواة ، أن تسقط على النواة ، وسيتم إنفاق طاقتها على الإشعاع الكهرومغناطيسي. بالنسبة لبوهر ، أصبح نموذج رذرفورد نقطة البداية في بناء نظريته الخاصة.
فرضية بوهر الأولى
كان ابتكار بوهر الرئيسي هو رفض استخدام الفيزياء الكلاسيكية النيوتونية في بناء نظرية الذرة. بعد دراسة البيانات التي تم الحصول عليها في المختبر ، توصل إلى استنتاج مفاده أن مثل هذا القانون المهم للديناميكا الكهربية مثل الحركة المتسارعة بشكل موحد دون إشعاع الموجة لا يعمل في عالم الجسيمات الأولية.
كانت نتيجة انعكاساته قانونًا يبدو كالتالي: النظام الذري يكون مستقرًا فقط إذا كان في أحد الأنظمة الثابتة المحتملةحالات (كمية) ، كل منها يتوافق مع طاقة معينة. معنى هذا القانون ، الذي يُطلق عليه خلافًا لذلك ، افتراض الحالات الكمومية ، هو التعرف على غياب الإشعاع الكهرومغناطيسي عندما تكون الذرة في مثل هذه الحالة. أيضا ، نتيجة الافتراض الأول هو التعرف على وجود مستويات الطاقة في الذرة.
قاعدة التردد
ومع ذلك ، كان من الواضح أن الذرة لا يمكن أن تكون دائمًا في نفس الحالة الكمية ، لأن الاستقرار ينفي أي تفاعل ، مما يعني أنه لن يكون هناك الكون ولا الحركة فيه. تم حل التناقض الظاهري من خلال الافتراض الثاني لنموذج بوهر للتركيب الذري ، والمعروف باسم قاعدة التردد. الذرة قادرة على الانتقال من حالة كمومية إلى أخرى مع تغير مناظر في الطاقة ، تنبعث أو تمتص كمية ، طاقتها تساوي الفرق بين طاقات الحالات الثابتة.
يتعارض الافتراض الثاني أيضًا مع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. وفقًا لنظرية ماكسويل ، لا يمكن لطبيعة حركة الإلكترون أن تؤثر على تردد إشعاعه.
طيف الذرة
أصبح نموذج بور الكمي ممكنًا من خلال الدراسة الدقيقة لطيف الذرة. لفترة طويلة ، كان العلماء محرجين من أنه بدلاً من منطقة اللون المستمرة المتوقعة التي تم الحصول عليها من خلال دراسة أطياف الأجرام السماوية ، كان مخطط الطيف للذرة متقطعًا. لم تتدفق خطوط الألوان الزاهية إلى بعضها البعض ، ولكن تم فصلها بمناطق داكنة مثيرة للإعجاب.
نظرية انتقال الإلكترون من حالة كمومية واحدة إلىوشرح آخر هذه الغرابة. عندما ينتقل إلكترون من مستوى طاقة إلى آخر ، حيث تتطلب طاقة أقل منه ، ينبعث منه الكم ، والذي ينعكس في المخطط الطيفي. أظهرت نظرية بوهر على الفور القدرة على التنبؤ بالمزيد من التغييرات في أطياف الذرات البسيطة مثل الهيدروجين.
عيوب
نظرية بوهر لم تنفصل تمامًا عن الفيزياء الكلاسيكية. لا تزال تحتفظ بفكرة الحركة المدارية للإلكترونات في المجال الكهرومغناطيسي للنواة. فكرة التكميم أثناء الانتقال من حالة ثابتة إلى أخرى تكمل بنجاح النموذج الكوكبي ، لكنها ما زالت لم تحل جميع التناقضات.
على الرغم من أنه في ضوء نموذج بور ، لم يستطع الإلكترون الدخول في حركة لولبية ويسقط في النواة ، ويشع الطاقة باستمرار ، إلا أنه ظل من غير الواضح سبب عدم تمكنه من الارتفاع على التوالي إلى مستويات طاقة أعلى. في هذه الحالة ، ستنتهي جميع الإلكترونات عاجلاً أم آجلاً في أدنى حالة طاقة ، مما سيؤدي إلى تدمير الذرة. مشكلة أخرى كانت الشذوذ في الأطياف الذرية التي لم تفسرها النظرية. في عام 1896 ، أجرى بيتر زيمان تجربة غريبة. وضع غازًا ذريًا في مجال مغناطيسي وأخذ مخططًا طيفيًا. اتضح أن بعض الخطوط الطيفية انقسمت إلى عدة. مثل هذا التأثير لم يتم شرحه في نظرية بور.
بناء نموذج لذرة الهيدروجين وفقًا لبوهر
على الرغم من كل أوجه القصور في نظريته ، تمكن نيلز بور من بناء نموذج واقعي لذرة الهيدروجين. في القيام بذلك ، استخدم قاعدة التردد وقوانين الكلاسيكيةعلم الميكانيكا. تبين أن حسابات بوهر لتحديد نصف القطر المحتمل لمدارات الإلكترون وحساب طاقة الحالات الكمومية كانت دقيقة تمامًا وتم تأكيدها تجريبيًا. ترددات انبعاث وامتصاص الموجات الكهرومغناطيسية تتوافق مع موقع الفجوات المظلمة على مخططات الطيف.
وهكذا ، باستخدام مثال ذرة الهيدروجين ، ثبت أن كل ذرة هي نظام كمي بمستويات طاقة منفصلة. بالإضافة إلى ذلك ، تمكن العالم من إيجاد طريقة للجمع بين الفيزياء الكلاسيكية ومسلماته باستخدام مبدأ المراسلات. تنص على أن ميكانيكا الكم تشمل قوانين الفيزياء النيوتونية. في ظل ظروف معينة (على سبيل المثال ، إذا كان العدد الكمي كبيرًا بدرجة كافية) ، تتقارب ميكانيكا الكم والميكانيكا الكلاسيكية. تم إثبات ذلك من خلال حقيقة أنه مع زيادة العدد الكمي ، انخفض طول الفجوات المظلمة في الطيف حتى الاختفاء التام ، كما هو متوقع في ضوء المفاهيم النيوتونية.
المعنى
أصبح إدخال مبدأ المطابقة خطوة وسيطة مهمة نحو الاعتراف بوجود ميكانيكا الكم الخاصة. لقد أصبح نموذج بوهر للذرة بالنسبة للكثيرين نقطة انطلاق في بناء نظريات أكثر دقة لحركة الجسيمات دون الذرية. لم يتمكن نيلز بور من إيجاد تفسير فيزيائي دقيق لقاعدة التكميم ، لكنه لم يستطع فعل ذلك أيضًا ، لأن الخصائص الموجية للجسيمات الأولية تم اكتشافها بمرور الوقت فقط. أثبت لويس دي بروي ، مكملاً لنظرية بور باكتشافات جديدة ، أن كل مدار مدار ، وفقًا لما ذكرهالتي يتحرك بها الإلكترون هي موجة تنتشر من النواة. من وجهة النظر هذه ، بدأ النظر في الحالة الثابتة للذرة بحيث تتشكل في حالة تكرار الموجة ، بعد قيامها بثورة كاملة حول النواة.
