Dugo je vremena struktura atoma bila diskutabilna tema među fizičarima, sve dok se nije pojavio model koji je izradio danski znanstvenik Niels Bohr. On nije bio prvi koji je pokušao opisati kretanje subatomskih čestica, ali je upravo njegov razvoj omogućio stvaranje konzistentne teorije sa sposobnošću predviđanja položaja elementarne čestice u jednom ili drugom trenutku.
Životni put
Niels Bohr rođen je 7. listopada 1885. u Kopenhagenu i tamo umro 18. studenog 1962. godine. Smatra se jednim od najvećih fizičara, i nije čudo: upravo je on uspio izgraditi konzistentan model atoma sličnih vodiku. Prema legendi, vidio je u snu kako se nešto poput planeta okreće oko određenog svjetlećeg razrijeđenog središta. Ovaj se sustav tada drastično smanjio na mikroskopsku veličinu.
Od tada, Bohr je teško tražio način da pretoči san u formule i tablice. Pomno proučavajući modernu literaturu o fizici, eksperimentirajući u laboratoriju i razmišljajući, uspio je postići svojeciljeve. Čak ga ni urođena sramežljivost nije spriječila da objavi rezultate: bilo mu je neugodno govoriti pred velikom publikom, počeo se zbunjivati, a publika ništa nije razumjela iz znanstvenikovih objašnjenja.
Prekurzori
Prije Bohra, znanstvenici su pokušali stvoriti model atoma na temelju postulata klasične fizike. Najuspješniji pokušaj pripao je Ernestu Rutherfordu. Kao rezultat brojnih eksperimenata, došao je do zaključka o postojanju masivne atomske jezgre, oko koje se elektroni kreću u orbitama. Budući da je grafički takav model bio sličan strukturi Sunčevog sustava, iza njega je ojačano ime planetarnog.
Ali imao je značajan nedostatak: atom koji odgovara Rutherfordovim jednadžbama pokazao se nestabilnim. Prije ili kasnije, elektroni su, krećući se ubrzano po orbitama oko jezgre, morali pasti na jezgru, a njihova energija bi se potrošila na elektromagnetsko zračenje. Za Bohra je Rutherfordov model postao početna točka u izgradnji njegove vlastite teorije.
Bohrov prvi postulat
Bohrova glavna inovacija bilo je odbacivanje upotrebe klasične Newtonove fizike u izgradnji teorije atoma. Proučivši podatke dobivene u laboratoriju, došao je do zaključka da tako važan zakon elektrodinamike kao što je jednoliko ubrzano gibanje bez valnog zračenja ne funkcionira u svijetu elementarnih čestica.
Rezultat njegovih razmišljanja bio je zakon koji zvuči ovako: atomski sustav je stabilan samo ako je u jednom od mogućih stacionarnih(kvantna) stanja, od kojih svako odgovara određenoj energiji. Značenje ovog zakona, inače zvanog postulat kvantnih stanja, je prepoznati odsutnost elektromagnetskog zračenja kada je atom u takvom stanju. Također, posljedica prvog postulata je prepoznavanje prisutnosti energetskih razina u atomu.
Pravilo učestalosti
Međutim, bilo je očito da atom ne može uvijek biti u istom kvantnom stanju, budući da stabilnost poriče bilo kakvu interakciju, što znači da u njemu ne bi bilo ni svemira ni kretanja. Očiglednu kontradikciju razriješio je drugi postulat Bohrovog modela strukture atoma, poznat kao pravilo frekvencije. Atom se može kretati iz jednog kvantnog stanja u drugo s odgovarajućom promjenom energije, emitirajući ili apsorbirajući kvant, čija je energija jednaka razlici između energija stacionarnih stanja.
Drugi postulat također je u suprotnosti s klasičnom elektrodinamikom. Prema Maxwellovoj teoriji, priroda gibanja elektrona ne može utjecati na frekvenciju njegovog zračenja.
Atomski spektar
Bohrov kvantni model omogućen je pažljivim proučavanjem spektra atoma. Dugo je vremena znanstvenicima bilo neugodno što je umjesto očekivane kontinuirane regije boje dobivene proučavanjem spektra nebeskih tijela, spektrogram atoma bio diskontinuiran. Linije svijetle boje nisu se prelijevale jedna u drugu, već su bile razdvojene impresivnim tamnim područjima.
Teorija prijelaza elektrona iz jednog kvantnog stanja udrugi je objasnio ovu neobičnost. Kada je elektron prešao s jedne energetske razine na drugu, gdje se od njega tražilo manje energije, emitirao je kvant, što se reflektiralo u spektrogramu. Bohrova teorija odmah je pokazala sposobnost predviđanja daljnjih promjena u spektru jednostavnih atoma poput vodika.
Nedostaci
Bohrova teorija nije u potpunosti prekinula s klasičnom fizikom. Još uvijek je zadržala ideju orbitalnog kretanja elektrona u elektromagnetskom polju jezgre. Ideja kvantizacije tijekom prijelaza iz jednog stacionarnog stanja u drugo uspješno je nadopunila planetarni model, ali još uvijek nije razriješila sve proturječnosti.
Iako u svjetlu Bohrovog modela, elektron nije mogao krenuti u spiralno gibanje i pasti u jezgru, kontinuirano zračeći energiju, ostalo je nejasno zašto se ne može sukcesivno podići na više energetske razine. U tom bi slučaju svi elektroni prije ili kasnije završili u najnižem energetskom stanju, što bi dovelo do uništenja atoma. Drugi problem su bile anomalije u atomskim spektrima koje teorija nije objasnila. Davne 1896. Peter Zeeman proveo je neobičan eksperiment. Stavio je atomski plin u magnetsko polje i snimio spektrogram. Pokazalo se da su se neke spektralne linije podijelile na nekoliko. Takav učinak nije objašnjen u Bohrovoj teoriji.
Izgradnja modela atoma vodika prema Bohru
Unatoč svim nedostacima svoje teorije, Niels Bohr uspio je izgraditi realističan model atoma vodika. Pri tome se poslužio pravilom frekvencije i zakonima klasikemehanika. Borovi proračuni za određivanje mogućih polumjera elektronskih orbita i izračunavanje energije kvantnih stanja pokazali su se prilično točnima i eksperimentalno su potvrđeni. Frekvencije emisije i apsorpcije elektromagnetskih valova odgovarale su mjestu tamnih praznina na spektrogramima.
Tako je na primjeru atoma vodika dokazano da je svaki atom kvantni sustav s diskretnim energetskim razinama. Osim toga, znanstvenik je uspio pronaći način da kombinira klasičnu fiziku i svoje postulate koristeći princip korespondencije. Navodi da kvantna mehanika uključuje zakone Newtonove fizike. Pod određenim uvjetima (na primjer, ako je kvantni broj bio dovoljno velik), kvantna i klasična mehanika konvergiraju. To je dokazano činjenicom da se s povećanjem kvantnog broja duljina tamnih praznina u spektru smanjivala do potpunog nestanka, kako se i očekivalo u svjetlu Newtonovih koncepata.
Značenje
Uvođenje principa korespondencije postalo je važan međukorak prema priznavanju postojanja posebne kvantne mehanike. Bohrov model atoma mnogima je postao polazište u izgradnji točnijih teorija gibanja subatomskih čestica. Niels Bohr nije uspio pronaći točnu fizikalnu interpretaciju pravila kvantizacije, ali ni to nije mogao, budući da su valna svojstva elementarnih čestica otkrivena tek tijekom vremena. Louis de Broglie, nadopunjujući Bohrovu teoriju novim otkrićima, dokazao je da svaka orbita, premakoji elektron pomiče je val koji se širi iz jezgre. S ove točke gledišta, stacionarno stanje atoma počelo se smatrati takvim da nastaje u slučaju kada se val, nakon što je napravio potpunu revoluciju oko jezgre, ponovi.
