В началото на 20 век беше много благоприятно време за науките. Освен Ернест Ръдърфорд и Нилс Бор, раждащи Стандартния модел на физиката на частиците, това беше и период на пробиви в областта на квантовата механика. Благодарение на текущите проучвания за поведението на електроните, учените започват да предлагат теории, при които тези елементарни частици се държат по начини, които опровергават класическата, нютонова физика.
Един такъв пример е Електронният облачен модел, предложен от Ервин Шрьодингер. Благодарение на този модел електроните вече не са изобразявани като частици, движещи се около централно ядро във фиксирана орбита. Вместо това Шрьодингер предложи модел, по който учените могат да правят само познати предположения за позициите на електроните. Следователно, техните местоположения могат да бъдат описани само като част от „облака“ около ядрото, където е вероятно да се намерят електрони.
Атомната физика към 20 век:
Най-ранните известни примери на атомната теория идват от древна Гърция и Индия, където философи като Демокрит постулират, че цялата материя е съставена от малки, неделими и неразрушими единици. Терминът "атом" е въведен в древна Гърция и е създал училището на мисълта, известно като "атомизъм". Тази теория обаче беше по-скоро философска концепция, отколкото научна.
Едва през 19 век теорията на атомите се артикулира като научна материя, като се провеждат първите експерименти, основани на доказателства. Например, в началото на 1800 г. английският учен Джон Далтън използва концепцията за атома, за да обясни защо химическите елементи реагират по определени наблюдаеми и предвидими начини. Чрез поредица от експерименти с газове, Далтън продължи да разработва това, което е известно като атомната теория на Далтън.
Тази теория се разшири по законите на разговор на маса и определени пропорции и се сведе до пет предпоставки: елементи, в най-чистото си състояние, се състоят от частици, наречени атоми; атомите на конкретен елемент са еднакви, чак до последния атом; атомите на различни елементи могат да бъдат разграничени от техните атомни тегла; атомите на елементите се обединяват и образуват химични съединения; атомите не могат да бъдат създадени или унищожени при химическа реакция, само групирането се променя.
Откриване на електрона:
В края на 19 век учените също започват да теоретизират, че атомът е съставен от повече от една основна единица. Повечето учени обаче се осмелиха, че тази единица ще бъде с размерите на най-малкия известен атом - водород. В края на 19-ти век неговото ще се промени драстично благодарение на изследвания, проведени от учени като сър Джоузеф Джон Томсън.
Чрез поредица от експерименти, използващи катодни тръби (известни като тръба на Крукс), Томсън забелязва, че катодните лъчи могат да бъдат отклонени от електрически и магнитни полета. Той заключи, че вместо да са съставени от светлина, те са съставени от отрицателно заредени частици, които са 1ooo пъти по-малки и 1800 пъти по-леки от водорода.
Това ефективно опроверга идеята, че водородният атом е най-малката единица на материята и Томпсън продължи да предполага, че атомите са неделими. За да обясни общия заряд на атома, който се състои както от положителни, така и от отрицателни заряди, Томпсън предлага модел, при който отрицателно заредените „корпускули“ се разпределят в еднородно море с положителен заряд - известен като Plum Pudding Model.
По-късно тези корпускули ще бъдат наречени „електрони“, базирани на теоретичната частица, предсказана от англо-ирландския физик Джордж Джонстоун Стоуни през 1874 г. И от това се роди Моделът на пудинг от сливи, наречен така, защото много прилича на английската пустиня, която се състои от сливова торта и стафиди. Концепцията е представена на света през март 1904 г. изданието на Великобритания Философско списание, да приветствам широко.
Разработване на стандартния модел:
Последвалите експерименти разкриха редица научни проблеми с модела Plum Pudding. За начало имаше проблем с демонстрирането, че атомът притежава равномерен положителен заряд, който стана известен като „Проблемът на Томсън“. Пет години по-късно моделът ще бъде опроверган от Ханс Гейгер и Ърнест Марсдън, които проведоха поредица от експерименти, използвайки алфа-частици и златно фолио - ака. експериментът със златно фолио.
В този експеримент Гейгер и Марсдън измерват схемата на разсейване на алфа частиците с флуоресцентен екран. Ако моделът на Томсън беше правилен, алфа частиците щяха да преминават през атомната структура на фолиото безпрепятствено. Въпреки това те отбелязаха, че докато повечето стреляха направо, някои от тях бяха разпръснати в различни посоки, а някои се върнаха обратно в посока на източника.
Гайгер и Марсдън заключиха, че частиците са срещнали електростатична сила, много по-голяма от разрешената от модела на Томсън. Тъй като алфа частиците са просто хелиеви ядра (които са положително заредени), това означава, че положителният заряд в атома не е широко диспергиран, а концентриран в малък обем. Освен това фактът, че тези частици, които не са били отклонени, преминават през безпрепятствено, означава, че тези положителни пространства са разделени от огромни заливи от празно пространство.
До 1911 г. физикът Ърнест Ръдърфорд интерпретира експериментите на Гейгер-Марсден и отхвърля модела на Томсън на атома. Вместо това той предложи модел, при който атомът се състои предимно от празно пространство, като целият му положителен заряд се концентрира в центъра му в много малък обем, който беше заобиколен от облак от електрони. Това стана известно като моделът на Ръдърфорд на атома.
Последвалите експерименти на Антоний Ван ден Брук и Нилс Бор усъвършенстват модела допълнително. Докато Ван ден Брук предположи, че атомният номер на даден елемент е много подобен на ядрения му заряд, последният предложи модел на атома, подобен на Слънчевата система, където ядрото съдържа атомния брой на положителен заряд и е заобиколено от равно брой електрони в орбитални обвивки (известен още като модел на Бор).
Моделът на електронния облак:
През 20-те години австрийският физик Ервин Шрьодингер е очарован от теориите Макс Планк, Алберт Айнщайн, Нилс Бор, Арнолд Сомерфелд и други физици. През това време той също се включва в областта на атомната теория и спектри, изследва в Университета в Цюрих, а след това и университета на Фридрих Вилхелм в Берлин (където успява Планк през 1927 г.).
През 1926 г. Шрьодингер се занимава с въпроса за вълновите функции и електроните в поредица от документи. В допълнение към описанието на това, което би станало известно като уравнение на Шрьодингер - частично диференциално уравнение, което описва как квантовото състояние на квантовата система се променя с времето - той също използва математически уравнения, за да опише вероятността да намери електрон в определена позиция ,
Това стана основата на това, което ще стане известно като Електронния облачен (или квантовомеханичен) модел, както и уравнението на Шрьодингер. Въз основа на квантовата теория, която гласи, че цялата материя има свойства, свързани с вълнова функция, Електронният облачен модел се различава от модела на Бор по това, че не определя точния път на електрон.
Вместо това той прогнозира вероятното положение на местоположението на електрона въз основа на функция на вероятностите. Функцията на вероятността основно описва облак, подобен на облака, където е вероятно да се намери електронът, оттук и името. Там, където облакът е най-плътен, вероятността да се намери електронът е най-голяма; и където е по-малко вероятно електронът, облакът е по-малко плътен.
Тези плътни региони са известни като „електронни орбитали“, тъй като те са най-вероятното място, където ще бъде намерен орбитален електрон. Разширявайки този „облачен“ модел до триизмерно пространство, виждаме атома на мряна или цвете (както на изображението в горната част). Тук регионите за разклоняване са тези, където е най-вероятно да открием електроните.
Благодарение на работата на Шрьодингер учените започнаха да разбират, че в областта на квантовата механика е невъзможно да се знае едновременно точното положение и импулс на електрон. Независимо от това, което наблюдателят знае първоначално за дадена частица, те могат само да предскажат нейното следващо местоположение или импулс по отношение на вероятностите.
В нито един момент те няма да могат да установят нито едното. Всъщност, колкото повече знаят за инерцията на дадена частица, толкова по-малко ще знаят за нейното местоположение и обратно. Това е, което днес е известно като "Принцип на несигурност".
Обърнете внимание, че орбиталите, споменати в предходния параграф, са образувани от водороден атом (т.е. само с един електрон). Когато се занимаваме с атоми, които имат повече електрони, електронните орбитални области се разпределят равномерно в сферична размита топка. Именно тук терминът „електронно облаче“ е най-подходящ.
Този принос беше общопризнат като един от важните за разходите 20-ти век и този, който предизвика революция в областта на физиката, квантовата механика и наистина всички науки. Оттам нататък учените вече не са работили във вселена, характеризираща се с абсолюти на времето и пространството, а в квантовата несигурност и относителността на време-пространство!
Тук сме писали много интересни статии за атомите и атомните модели в Space Magazine. Ето какво е атомният модел на Джон Далтън ?, какъв е моделът на пудинг от сливи ?, какъв е атомният модел на Бор ?, кой е бил Демокрит? И какви са частите на атома?
За повече информация не забравяйте да проверите какво е квантовата механика? от науката на живо.
Astronomy Cast също има епизод по темата, като Епизод 130: Радиоастрономия, Епизод 138: Квантова механика и Епизод 252: Принцип на несигурността на Хайзенберг
