Dugo vremena je struktura atoma bila diskutabilna tema među fizičarima, sve dok se nije pojavio model koji je kreirao danski naučnik Niels Bohr. On nije bio prvi koji je pokušao da opiše kretanje subatomskih čestica, ali je upravo njegov razvoj omogućio stvaranje konzistentne teorije sa mogućnošću predviđanja lokacije elementarne čestice u jednom ili drugom trenutku.
Životni put
Niels Bohr rođen je 7. oktobra 1885. u Kopenhagenu i tamo je umro 18. novembra 1962. godine. Smatra se jednim od najvećih fizičara, i nije ni čudo: upravo je on uspio izgraditi konzistentan model atoma sličnih vodoniku. Prema legendi, vidio je u snu kako se nešto poput planeta okreće oko određenog svijetlećeg razrijeđenog centra. Ovaj sistem se tada drastično smanjio na mikroskopsku veličinu.
Od tada, Bohr je teško tražio način da pretoči san u formule i tabele. Pažljivo proučavajući modernu literaturu o fizici, eksperimentirajući u laboratoriji i razmišljajući, uspio je postići svojeciljevi. Čak ga ni urođena stidljivost nije spriječila da objavi rezultate: bilo mu je neugodno govoriti pred velikom publikom, počeo je da se zbunjuje, a publika ništa nije razumjela iz naučnikovih objašnjenja.
Prekursori
Pre Bohra, naučnici su pokušali da naprave model atoma zasnovan na postulatima klasične fizike. Najuspješniji pokušaj pripao je Ernestu Rutherfordu. Kao rezultat brojnih eksperimenata, došao je do zaključka o postojanju masivnog atomskog jezgra, oko kojeg se elektroni kreću po orbitama. Pošto je grafički takav model bio sličan strukturi Sunčevog sistema, iza njega je ojačano ime planetarnog.
Ali imao je značajan nedostatak: atom koji odgovara Rutherfordovim jednačinama pokazao se nestabilnim. Prije ili kasnije, elektroni su, krećući se ubrzano po orbitama oko jezgra, morali pasti na jezgro, a njihova energija bi se potrošila na elektromagnetno zračenje. Za Bora je Rutherfordov model postao početna tačka u izgradnji njegove vlastite teorije.
Bohrov prvi postulat
Bohrova glavna inovacija bilo je odbacivanje upotrebe klasične Njutnove fizike u izgradnji teorije atoma. Proučivši podatke dobijene u laboratoriji, došao je do zaključka da tako važan zakon elektrodinamike kao što je jednoliko ubrzano kretanje bez talasnog zračenja ne funkcioniše u svetu elementarnih čestica.
Rezultat njegovih razmišljanja bio je zakon koji zvuči ovako: atomski sistem je stabilan samo ako je u jednom od mogućih stacionarnih(kvantna) stanja, od kojih svako odgovara određenoj energiji. Značenje ovog zakona, inače nazvanog postulatom kvantnih stanja, je prepoznati odsustvo elektromagnetnog zračenja kada je atom u takvom stanju. Također, posljedica prvog postulata je prepoznavanje prisustva energetskih nivoa u atomu.
Pravilo učestalosti
Međutim, bilo je očito da atom ne može uvijek biti u istom kvantnom stanju, pošto stabilnost poriče bilo kakvu interakciju, što znači da u njemu ne bi bilo ni Univerzuma ni kretanja. Očigledna kontradikcija razriješena je drugim postulatom Bohrovog modela atomske strukture, poznatim kao pravilo frekvencije. Atom se može kretati iz jednog kvantnog stanja u drugo sa odgovarajućom promjenom energije, emitujući ili apsorbirajući kvant, čija je energija jednaka razlici između energija stacionarnih stanja.
Drugi postulat je također u suprotnosti sa klasičnom elektrodinamikom. Prema Maxwellovoj teoriji, priroda kretanja elektrona ne može utjecati na frekvenciju njegovog zračenja.
Atomski spektar
Bohrov kvantni model je omogućen pažljivim proučavanjem spektra atoma. Dugo vremena, naučnike je bilo neugodno što je umjesto očekivane kontinuirane regije boje dobijene proučavanjem spektra nebeskih tijela, spektrogram atoma bio diskontinuiran. Linije jarkih boja nisu se prelivale jedna u drugu, već su bile razdvojene impresivnim tamnim područjima.
Teorija prelaska elektrona iz jednog kvantnog stanja udrugi je objasnio ovu neobičnost. Kada je elektron prešao sa jednog energetskog nivoa na drugi, gde je od njega bilo potrebno manje energije, on je emitovao kvant, što se reflektovalo u spektrogramu. Borova teorija je odmah pokazala sposobnost predviđanja daljih promjena u spektru jednostavnih atoma poput vodonika.
Nedostaci
Bohrova teorija nije u potpunosti prekinula s klasičnom fizikom. Ona je i dalje zadržala ideju o orbitalnom kretanju elektrona u elektromagnetnom polju jezgra. Ideja kvantizacije tokom prijelaza iz jednog stacionarnog stanja u drugo uspješno je dopunila planetarni model, ali još uvijek nije razriješila sve kontradikcije.
Iako u svjetlu Borovog modela, elektron nije mogao krenuti u spiralno kretanje i pasti u jezgro, kontinuirano zračeći energiju, ostalo je nejasno zašto se ne može sukcesivno podići na više energetske nivoe. U tom slučaju bi svi elektroni prije ili kasnije završili u stanju najniže energije, što bi dovelo do uništenja atoma. Drugi problem su bile anomalije u atomskim spektrima koje teorija nije objasnila. Davne 1896. godine Peter Zeeman je izveo neobičan eksperiment. Postavio je atomski gas u magnetno polje i snimio spektrogram. Ispostavilo se da su se neke spektralne linije podijelile na nekoliko. Takav efekat nije objašnjen u Borovoj teoriji.
Izgradnja modela atoma vodika prema Bohru
Uprkos svim nedostacima svoje teorije, Niels Bohr je uspio izgraditi realističan model atoma vodika. Pri tome je koristio pravilo frekvencije i zakone klasikemehanika. Borovi proračuni za određivanje mogućih radijusa elektronskih orbita i izračunavanje energije kvantnih stanja pokazali su se prilično preciznim i eksperimentalno su potvrđeni. Frekvencije emisije i apsorpcije elektromagnetnih talasa odgovarale su lokaciji tamnih praznina na spektrogramima.
Tako je na primjeru atoma vodonika dokazano da je svaki atom kvantni sistem sa diskretnim energetskim nivoima. Pored toga, naučnik je uspeo da pronađe način da kombinuje klasičnu fiziku i svoje postulate koristeći princip korespondencije. U njemu se navodi da kvantna mehanika uključuje zakone Njutnove fizike. Pod određenim uslovima (na primjer, ako je kvantni broj bio dovoljno velik), kvantna i klasična mehanika konvergiraju. To je dokazano činjenicom da se sa povećanjem kvantnog broja, dužina tamnih praznina u spektru smanjivala do potpunog nestanka, kako se i očekivalo u svjetlu Newtonovih koncepata.
Značenje
Uvođenje principa korespondencije postalo je važan međukorak ka priznavanju postojanja posebne kvantne mehanike. Borov model atoma je mnogima postao polazna tačka u izgradnji preciznijih teorija kretanja subatomskih čestica. Niels Bohr nije mogao pronaći tačnu fizičku interpretaciju pravila kvantizacije, ali nije mogao ni to, budući da su valna svojstva elementarnih čestica otkrivena tek s vremenom. Louis de Broglie je, dopunjujući Borovu teoriju novim otkrićima, dokazao da svaka orbita, premakoji elektron pokreće je talas koji se širi iz jezgra. Sa ove tačke gledišta, stacionarno stanje atoma počelo se smatrati takvim da se formira u slučaju kada se talas, nakon što je napravio potpunu revoluciju oko jezgra, ponovi.
