La începutul secolului XX a fost o perioadă foarte bună pentru științe. Pe lângă Ernest Rutherford și Niels Bohr care au dat naștere modelului standard de fizică a particulelor, a fost și o perioadă de descoperiri în domeniul mecanicii cuantice. Datorită studiilor în curs de desfășurare a comportamentului electronilor, oamenii de știință au început să propună teorii prin care aceste particule elementare s-au comportat în moduri care sfidează fizica clasică, newtoniană.
Un astfel de exemplu este modelul Electron Cloud propus de Erwin Schrodinger. Datorită acestui model, electronii nu au mai fost descriși ca particule care se deplasează în jurul unui nucleu central într-o orbită fixă. În schimb, Schrodinger a propus un model prin care oamenii de știință nu puteau face decât ghiciri educate cu privire la pozițiile electronilor. Prin urmare, locațiile lor ar putea fi descrise doar ca făcând parte dintr-un „nor” în jurul nucleului în care este probabil să se găsească electroni.
Fizica atomică până în secolul XX:
Cele mai cunoscute exemple de teorie atomică provin din Grecia și India antică, unde filosofi precum Democrit au postulat că toată materia era compusă din unități minuscule, indivizibile și indestructibile. Termenul „atom” a fost inventat în Grecia antică și a dat naștere școlii de gândire cunoscută sub numele de „atomism”. Cu toate acestea, această teorie era mai mult un concept filosofic decât unul științific.
Abia în secolul al XIX-lea, teoria atomilor a devenit articulată ca materie științifică, primele experimente bazate pe dovezi fiind efectuate. De exemplu, la începutul anilor 1800, savantul englez John Dalton a folosit conceptul de atom pentru a explica de ce elementele chimice au reacționat în anumite moduri observabile și previzibile. Printr-o serie de experimente care au implicat gaze, Dalton a continuat să dezvolte ceea ce este cunoscută sub numele de Teoria atomică a lui Dalton.
Această teorie s-a extins pe legile conversației de masă și proporții definite și a ajuns la cinci premise: elementele, în starea lor cea mai pură, constau din particule numite atomi; atomii unui anumit element sunt aceiași, până la ultimul atom; atomii diferitelor elemente pot fi deosebite de greutățile lor atomice; atomii elementelor se unesc pentru a forma compuși chimici; atomii nu pot fi creați sau distruși în reacție chimică, doar gruparea se schimbă vreodată.
Descoperirea electronului:
Până la sfârșitul secolului 19, oamenii de știință au început, de asemenea, să teoretizeze că atomul era format din mai mult de o unitate fundamentală. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință s-au aventurat că această unitate ar fi de dimensiunea celui mai mic atom cunoscut - hidrogenul. Până la sfârșitul secolului 19, al lui s-ar schimba drastic, datorită cercetărilor efectuate de oameni de știință precum Sir Joseph John Thomson.
Printr-o serie de experimente folosind tuburi cu raze catodice (cunoscut sub numele de "Crookes" Tube), Thomson a observat că razele catodice pot fi deviate de câmpuri electrice și magnetice. El a concluzionat că, în loc să fie compuse din lumină, acestea erau formate din particule încărcate negativ, care erau de 1 ori prea mici și de 1800 de ori mai ușoare decât hidrogenul.
Acest lucru a respins efectiv ideea că atomul de hidrogen este cea mai mică unitate de materie și Thompson a mers mai departe pentru a sugera că atomii sunt divizibili. Pentru a explica încărcarea generală a atomului, care consta atât din sarcini pozitive cât și din cele negative, Thompson a propus un model prin care „corpusculele” încărcate negativ erau distribuite într-o mare uniformă de încărcare pozitivă - cunoscut sub numele de modelul de budincă.
Aceste corpuscule vor fi numite mai târziu „electroni”, bazate pe particulele teoretice prezise de fizicianul anglo-irlandez George Johnstone Stoney în 1874. Și din aceasta s-a născut modelul Plum Pudding, numit astfel pentru că seamănă îndeaproape cu deșertul englez care este format din prăjitură cu prune și stafide. Conceptul a fost introdus în lume în ediția din martie 1904 a Regatului Unit Revista filozofică, la aclamație largă.
Dezvoltarea modelului standard:
Experimentele ulterioare au scos la iveală o serie de probleme științifice cu modelul Plum Pudding. Pentru început, a existat problema de a demonstra că atomul posedă o încărcare uniformă pozitivă de fond, care a fost cunoscută sub numele de „Problema Thomson”. Cinci ani mai târziu, modelul va fi respins de Hans Geiger și Ernest Marsden, care au efectuat o serie de experimente folosind particule alfa și folie de aur - aka. „experimentul cu folie de aur”.
În acest experiment, Geiger și Marsden au măsurat modelul de împrăștiere a particulelor alfa cu un ecran fluorescent. Dacă modelul lui Thomson ar fi corect, particulele alfa ar trece prin structura atomică a foliei fără obstacole. Cu toate acestea, au remarcat în schimb că, în timp ce majoritatea au filmat direct, unele dintre ele au fost împrăștiate în diverse direcții, unele urmând să se întoarcă în direcția sursei.
Geiger și Marsden au ajuns la concluzia că particulele au întâlnit o forță electrostatică mult mai mare decât cea permisă de modelul lui Thomson. Deoarece particulele alfa sunt doar nuclee de heliu (care sunt încărcate pozitiv), acest lucru a presupus că sarcina pozitivă în atom nu a fost dispersată pe scară largă, ci concentrată într-un volum mic. În plus, faptul că acele particule care nu au fost deviate au trecut prin neimpediat a însemnat că aceste spații pozitive au fost separate de vaste goluri de spațiu gol.
Până în 1911, fizicianul Ernest Rutherford a interpretat experimentele Geiger-Marsden și a respins modelul de atom al lui Thomson. În schimb, el a propus un model în care atomul era alcătuit din spațiu în mare parte gol, cu toată încărcătura pozitivă concentrată în centrul său într-un volum foarte mic, care era înconjurat de un nor de electroni. Acesta a fost cunoscut sub numele de modelul Rutherford al atomului.
Experimentele ulterioare ale lui Antonius Van den Broek și Niels Bohr au perfecționat modelul în continuare. În timp ce Van den Broek a sugerat că numărul atomic al unui element este foarte similar cu sarcina nucleară a acestuia, acesta din urmă a propus un model de atom de tipul sistemului solar, unde un nucleu conține numărul atomic de sarcină pozitivă și este înconjurat de un egal numărul de electroni în cochilii orbitali (de asemenea, modelul Bohr).
Modelul Electron Cloud:
În anii 1920, fizicianul austriac Erwin Schrodinger a devenit fascinat de teoriile Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld și alți fizicieni. În acest timp, a fost implicat și în domeniile teoriei atomice și spectrelor, cercetând la Universitatea din Zurich și apoi la Universitatea Friedrich Wilhelm din Berlin (unde a reușit Planck în 1927).
În 1926, Schrödinger a abordat problema funcțiilor de undă și a electronilor într-o serie de lucrări. Pe lângă descrierea a ceea ce va fi cunoscut sub numele de ecuația Schrodinger - o ecuație diferențială parțială care descrie modul în care se schimbă starea cuantică a unui sistem cuantic cu timpul - a folosit, de asemenea, ecuații matematice pentru a descrie probabilitatea de a găsi un electron într-o anumită poziție. .
Aceasta a devenit baza a ceea ce va fi cunoscut sub numele de modelul Electron Cloud (sau mecanic cuantic), precum și ecuația Schrodinger. Pe baza teoriei cuantice, care afirmă că toată materia are proprietăți asociate cu o funcție de undă, modelul Electron Cloud diferă de modelul Bohr prin faptul că nu definește calea exactă a unui electron.
În schimb, prezice poziția probabilă a locației electronului pe baza unei funcții de probabilități. Funcția de probabilitate descrie practic o regiune asemănătoare norului, unde este probabil să se găsească electronul, de unde și numele. Acolo unde norul este cel mai dens, probabilitatea de a găsi electronul este cea mai mare; și în cazul în care electronul este mai puțin probabil, norul este mai puțin dens.
Aceste regiuni dense sunt cunoscute sub numele de „orbitali de electroni”, deoarece sunt locația cea mai probabilă unde se va găsi un electron care orbitează. Extinzând acest model „cloud” într-un spațiu tridimensional, vedem un barbell sau un atom în formă de floare (ca în imaginea din vârf). Aici, regiunile de ramificare sunt cele în care este cel mai probabil să găsim electroni.
Datorită lucrărilor lui Schrodinger, oamenii de știință au început să înțeleagă că, pe tărâmul mecanicii cuantice, era imposibil de știut în același timp poziția exactă și impulsul unui electron. Indiferent de ceea ce observatorul știe inițial despre o particulă, ei nu pot decât să prezică locația sau impulsul succesiv din punct de vedere al probabilităților.
La un moment dat, nu vor putea afla niciuna. De fapt, cu cât știu mai mult despre impulsul unei particule, cu atât mai puțin vor ști despre locația acesteia și invers. Acest lucru este cunoscut astăzi drept „Principiul incertitudinii”.
Rețineți că orbitalii menționați în paragraful precedent sunt formați dintr-un atom de hidrogen (adică cu un singur electron). Atunci când avem de-a face cu atomii care au mai mulți electroni, regiunile orbitale ale electronilor se răspândesc uniform într-o bilă sferică. Aici este cel mai potrivit termenul „cloud electroni”.
Această contribuție a fost recunoscută universal ca fiind una dintre contribuțiile importante din punct de vedere al costurilor din secolul XX și una care a declanșat o revoluție în domeniile fizicii, mecanicii cuantice și, într-adevăr, a tuturor științelor. De atunci, oamenii de știință nu mai lucrau într-un univers caracterizat prin absolutizarea timpului și spațiului, ci în incertitudini cuantice și relativitate timp-spațiu!
Am scris multe articole interesante despre atomi și modele atomice aici la Space Magazine. Iată care este modelul atomic al lui John Dalton ?, Care este modelul pudinei de prune ?, Care este modelul atomic al lui Bohr? Cine a fost Democrit? Și care sunt părțile unui atom?
Pentru mai multe informații, asigurați-vă că verificați ce este mecanica cuantică? de la Știința în direct.
Astronomy Cast are și un episod pe această temă, precum Episodul 130: Radio Astronomie, Episodul 138: Mecanica cuantică și Episodul 252: Principiul incertitudinii de Heisenberg
