Per molto tempo, la struttura dell'atomo è stata un argomento controverso tra i fisici, fino a quando non è apparso un modello creato dallo scienziato danese Niels Bohr. Non è stato il primo a tentare di descrivere il movimento delle particelle subatomiche, ma sono stati i suoi sviluppi che hanno permesso di creare una teoria coerente con la capacità di prevedere la posizione di una particella elementare in un momento o nell' altro.
Percorso di vita
Niels Bohr nacque il 7 ottobre 1885 a Copenaghen e vi morì il 18 novembre 1962. È considerato uno dei più grandi fisici e non c'è da stupirsi: è stato lui a riuscire a costruire un modello coerente di atomi simili all'idrogeno. Secondo la leggenda, vide in sogno come qualcosa di simile ai pianeti ruotasse attorno a un certo centro luminoso rarefatto. Questo sistema si è quindi ridotto drasticamente a dimensioni microscopiche.
Da allora, Bohr ha cercato a fondo un modo per tradurre il sogno in formule e tabelle. Studiando attentamente la letteratura moderna sulla fisica, sperimentando in laboratorio e pensando, riuscì a realizzare il suoobiettivi. Anche la timidezza congenita non gli ha impedito di pubblicare i risultati: era imbarazzato a parlare davanti a un vasto pubblico, ha iniziato a confondersi e il pubblico non ha capito nulla dalle spiegazioni dello scienziato.
Precursori
Prima di Bohr, gli scienziati hanno cercato di creare un modello dell'atomo basato sui postulati della fisica classica. Il tentativo di maggior successo apparteneva a Ernest Rutherford. Come risultato di numerosi esperimenti, è giunto alla conclusione sull'esistenza di un enorme nucleo atomico, attorno al quale gli elettroni si muovono in orbite. Poiché graficamente un tale modello era simile alla struttura del sistema solare, dietro di esso si rafforzava il nome di quello planetario.
Ma aveva un inconveniente significativo: l'atomo corrispondente alle equazioni di Rutherford si rivelò instabile. Prima o poi, gli elettroni, muovendosi con accelerazione in orbite attorno al nucleo, dovevano cadere sul nucleo e la loro energia sarebbe stata spesa per la radiazione elettromagnetica. Per Bohr, il modello di Rutherford è diventato il punto di partenza per costruire la propria teoria.
Primo postulato di Bohr
La principale innovazione di Bohr fu il rifiuto dell'uso della fisica newtoniana classica nella costruzione della teoria dell'atomo. Dopo aver studiato i dati ottenuti in laboratorio, è giunto alla conclusione che una legge così importante dell'elettrodinamica come il moto uniformemente accelerato senza radiazione d'onda non funziona nel mondo delle particelle elementari.
Il risultato delle sue riflessioni è stata una legge che suona così: un sistema atomico è stabile solo se si trova in uno dei possibili stazionariStati (quantistici), ognuno dei quali corrisponde a una certa energia. Il significato di questa legge, altrimenti chiamata postulato degli stati quantistici, è riconoscere l'assenza di radiazione elettromagnetica quando un atomo si trova in tale stato. Inoltre, una conseguenza del primo postulato è il riconoscimento della presenza di livelli di energia nell'atomo.
Regola di frequenza
Tuttavia, era ovvio che un atomo non può essere sempre nello stesso stato quantistico, poiché la stabilità nega qualsiasi interazione, il che significa che non ci sarebbe né l'Universo né il movimento in esso. L'apparente contraddizione è stata risolta dal secondo postulato del modello di struttura atomica di Bohr, noto come regola della frequenza. Un atomo è in grado di passare da uno stato quantistico a un altro con un corrispondente cambiamento di energia, emettendo o assorbendo un quanto la cui energia è uguale alla differenza tra le energie degli stati stazionari.
Il secondo postulato contraddice anche l'elettrodinamica classica. Secondo la teoria di Maxwell, la natura del moto di un elettrone non può influenzare la frequenza della sua radiazione.
Spettro atomico
Il modello quantistico di Bohr è stato reso possibile da un attento studio dello spettro dell'atomo. Per molto tempo, gli scienziati sono rimasti imbarazzati dal fatto che invece della prevista regione di colore continua ottenuta studiando gli spettri dei corpi celesti, lo spettrogramma dell'atomo fosse discontinuo. Linee di colore brillante non scorrevano l'una nell' altra, ma erano separate da impressionanti aree scure.
Teoria della transizione elettronica da uno stato quantistico aun altro spiegava questa stranezza. Quando un elettrone si spostava da un livello di energia a un altro, dove era richiesta meno energia, emetteva un quanto, che veniva riflesso nello spettrogramma. La teoria di Bohr dimostrò immediatamente la capacità di prevedere ulteriori cambiamenti negli spettri di atomi semplici come l'idrogeno.
Difetti
La teoria di Bohr non ha rotto completamente con la fisica classica. Manteneva ancora l'idea del movimento orbitale degli elettroni nel campo elettromagnetico del nucleo. L'idea della quantizzazione durante la transizione da uno stato stazionario a un altro ha completato con successo il modello planetario, ma non ha ancora risolto tutte le contraddizioni.
Sebbene alla luce del modello di Bohr, l'elettrone non potesse entrare in un movimento a spirale e cadere nel nucleo, irradiando continuamente energia, non era chiaro il motivo per cui non potesse salire successivamente a livelli di energia più elevati. In questo caso, tutti gli elettroni prima o poi finirebbero nello stato energetico più basso, il che porterebbe alla distruzione dell'atomo. Un altro problema erano le anomalie negli spettri atomici che la teoria non spiegava. Nel 1896 Peter Zeeman condusse un curioso esperimento. Ha posizionato un gas atomico in un campo magnetico e ha preso uno spettrogramma. Si è scoperto che alcune righe spettrali si sono divise in più righe. Un tale effetto non era spiegato nella teoria di Bohr.
Costruire un modello dell'atomo di idrogeno secondo Bohr
Nonostante tutte le carenze della sua teoria, Niels Bohr è stato in grado di costruire un modello realistico dell'atomo di idrogeno. In tal modo, ha utilizzato la regola della frequenza e le leggi della classicameccanica. I calcoli di Bohr per determinare i possibili raggi delle orbite degli elettroni e calcolare l'energia degli stati quantistici si sono rivelati abbastanza accurati e sono stati confermati sperimentalmente. Le frequenze di emissione e assorbimento delle onde elettromagnetiche corrispondevano alla posizione delle lacune oscure sugli spettrogrammi.
Così, usando l'esempio dell'atomo di idrogeno, è stato dimostrato che ogni atomo è un sistema quantistico con livelli energetici discreti. Inoltre, lo scienziato è stato in grado di trovare un modo per combinare la fisica classica ei suoi postulati utilizzando il principio di corrispondenza. Afferma che la meccanica quantistica include le leggi della fisica newtoniana. In determinate condizioni (ad esempio, se il numero quantico è abbastanza grande), la meccanica quantistica e quella classica convergono. Ciò è stato dimostrato dal fatto che con l'aumento del numero quantico, la lunghezza delle lacune oscure nello spettro è diminuita fino alla completa scomparsa, come previsto alla luce dei concetti newtoniani.
Significato
L'introduzione del principio di corrispondenza è diventata un importante passo intermedio verso il riconoscimento dell'esistenza di una meccanica quantistica speciale. Il modello dell'atomo di Bohr è diventato per molti un punto di partenza nella costruzione di teorie più accurate sul moto delle particelle subatomiche. Niels Bohr non è stato in grado di trovare un'interpretazione fisica esatta della regola di quantizzazione, ma non è stato nemmeno in grado di farlo, poiché le proprietà ondulatorie delle particelle elementari sono state scoperte solo nel tempo. Louis de Broglie, integrando la teoria di Bohr con nuove scoperte, dimostrò che ogni orbita, secondoche l'elettrone si muove è un'onda che si propaga dal nucleo. Da questo punto di vista, lo stato stazionario dell'atomo cominciò a considerarsi tale da formarsi nel caso in cui l'onda, dopo aver compiuto un giro completo attorno al nucleo, si ripetesse.
