De structuur van het atoom was lange tijd een discutabel onderwerp onder natuurkundigen, totdat een model van de Deense wetenschapper Niels Bohr verscheen. Hij was niet de eerste die probeerde de beweging van subatomaire deeltjes te beschrijven, maar het waren zijn ontwikkelingen die het mogelijk maakten om een consistente theorie te creëren met het vermogen om de locatie van een elementair deeltje op een of ander moment te voorspellen.
Levenspad
Niels Bohr werd geboren op 7 oktober 1885 in Kopenhagen en stierf daar op 18 november 1962. Hij wordt beschouwd als een van de grootste natuurkundigen, en geen wonder: hij was het die erin slaagde een consistent model van waterstofachtige atomen te bouwen. Volgens de legende zag hij in een droom hoe zoiets als planeten rond een bepaald lichtgevend, ijl centrum draaide. Dit systeem kromp toen drastisch tot microscopisch kleine afmetingen.
Sindsdien is Bohr hard op zoek naar een manier om de droom te vertalen in formules en tabellen. Door de moderne literatuur over natuurkunde zorgvuldig te bestuderen, te experimenteren in het laboratorium en na te denken, kon hij zijndoelen. Zelfs aangeboren verlegenheid weerhield hem er niet van de resultaten te publiceren: hij schaamde zich om voor een groot publiek te spreken, hij begon in de war te raken en het publiek begreep niets van de uitleg van de wetenschapper.
Voorlopers
Vóór Bohr probeerden wetenschappers een model van het atoom te maken op basis van de postulaten van de klassieke fysica. De meest succesvolle poging was van Ernest Rutherford. Als resultaat van talrijke experimenten kwam hij tot de conclusie over het bestaan van een massieve atoomkern, waarrond elektronen in banen bewegen. Aangezien een dergelijk model grafisch vergelijkbaar was met de structuur van het zonnestelsel, werd de naam van het planetaire model erachter versterkt.
Maar het had een belangrijk nadeel: het atoom dat overeenkomt met de Rutherford-vergelijkingen bleek onstabiel te zijn. Vroeg of laat moesten de elektronen, die met versnelling in banen rond de kern bewegen, op de kern vallen, en hun energie zou worden besteed aan elektromagnetische straling. Voor Bohr werd het Rutherford-model het uitgangspunt bij het bouwen van zijn eigen theorie.
Bohrs eerste postulaat
Bohrs belangrijkste innovatie was de afwijzing van het gebruik van klassieke Newtoniaanse fysica bij de constructie van de theorie van het atoom. Na bestudering van de in het laboratorium verkregen gegevens, kwam hij tot de conclusie dat een zo belangrijke wet van de elektrodynamica als een eenparig versnelde beweging zonder golfstraling niet werkt in de wereld van elementaire deeltjes.
Het resultaat van zijn reflecties was een wet die als volgt klinkt: een atoomsysteem is alleen stabiel als het zich in een van de mogelijke stationaire(kwantum)toestanden, die elk overeenkomen met een bepaalde energie. De betekenis van deze wet, ook wel het postulaat van kwantumtoestanden genoemd, is om de afwezigheid van elektromagnetische straling te herkennen wanneer een atoom zich in een dergelijke toestand bevindt. Een gevolg van het eerste postulaat is ook de herkenning van de aanwezigheid van energieniveaus in het atoom.
Frequentieregel
Het was echter duidelijk dat een atoom niet altijd in dezelfde kwantumtoestand kan zijn, aangezien stabiliteit elke interactie ontkent, wat betekent dat er noch het universum noch beweging in zou zijn. De schijnbare tegenstrijdigheid werd opgelost door het tweede postulaat van Bohr's atomaire structuurmodel, bekend als de frequentieregel. Een atoom kan van de ene kwantumtoestand naar de andere gaan met een overeenkomstige verandering in energie, waarbij een kwantum wordt uitgezonden of geabsorbeerd, waarvan de energie gelijk is aan het verschil tussen de energieën van de stationaire toestanden.
Het tweede postulaat is ook in tegenspraak met de klassieke elektrodynamica. Volgens de theorie van Maxwell kan de aard van de beweging van een elektron de frequentie van zijn straling niet beïnvloeden.
Atoomspectrum
Bohr's kwantummodel werd mogelijk gemaakt door zorgvuldige studie van het spectrum van het atoom. Lange tijd schaamden wetenschappers zich dat in plaats van het verwachte continue kleurgebied dat wordt verkregen door de spectra van hemellichamen te bestuderen, het spectrogram van het atoom discontinu was. Lijnen van felle kleuren vloeiden niet in elkaar over, maar werden gescheiden door indrukwekkende donkere vlakken.
Theorie van elektronenovergang van één kwantumtoestand naareen ander legde deze eigenaardigheid uit. Wanneer een elektron van het ene energieniveau naar het andere bewoog, waar er minder energie van nodig was, straalde het een kwantum uit, dat werd weerspiegeld in het spectrogram. De theorie van Bohr toonde onmiddellijk het vermogen aan om verdere veranderingen in de spectra van eenvoudige atomen zoals waterstof te voorspellen.
Flaws
Bohrs theorie brak niet volledig met de klassieke natuurkunde. Ze behield nog steeds het idee van de orbitale beweging van elektronen in het elektromagnetische veld van de kern. Het idee van kwantisering tijdens de overgang van de ene stationaire toestand naar de andere vulde met succes het planetaire model aan, maar loste nog steeds niet alle tegenstrijdigheden op.
Hoewel het elektron in het licht van Bohr's model niet in een spiraalvormige beweging kon gaan en in de kern zou vallen, voortdurend energie uitstralend, bleef het onduidelijk waarom het niet achtereenvolgens naar hogere energieniveaus kon stijgen. In dit geval zouden alle elektronen vroeg of laat in de laagste energietoestand belanden, wat zou leiden tot de vernietiging van het atoom. Een ander probleem waren anomalieën in atoomspectra die de theorie niet kon verklaren. In 1896 voerde Peter Zeeman een merkwaardig experiment uit. Hij plaatste een atomair gas in een magnetisch veld en nam een spectrogram. Het bleek dat sommige spectraallijnen zich in meerdere splitsten. Een dergelijk effect werd niet verklaard in de theorie van Bohr.
Een model bouwen van het waterstofatoom volgens Bohr
Ondanks alle tekortkomingen van zijn theorie, was Niels Bohr in staat om een realistisch model van het waterstofatoom te bouwen. Daarbij gebruikte hij de frequentieregel en de wetten van de klassiekemechanica. Bohr's berekeningen om de mogelijke stralen van elektronenbanen te bepalen en de energie van kwantumtoestanden te berekenen, bleken behoorlijk nauwkeurig te zijn en werden experimenteel bevestigd. De frequenties van emissie en absorptie van elektromagnetische golven kwamen overeen met de locatie van donkere gaten in de spectrogrammen.
Zo werd aan de hand van het voorbeeld van het waterstofatoom bewezen dat elk atoom een kwantumsysteem is met discrete energieniveaus. Bovendien kon de wetenschapper een manier vinden om de klassieke natuurkunde en zijn postulaten te combineren met behulp van het correspondentieprincipe. Het stelt dat de kwantummechanica de wetten van de Newtoniaanse fysica omvat. Onder bepaalde omstandigheden (bijvoorbeeld als het kwantumgetal groot genoeg was) komen kwantummechanica en klassieke mechanica samen. Dit werd bewezen door het feit dat met een toename van het kwantumgetal, de lengte van donkere gaten in het spectrum afnam tot volledige verdwijning, zoals verwacht in het licht van Newtoniaanse concepten.
Betekenis
De introductie van het correspondentieprincipe is een belangrijke tussenstap geworden naar de erkenning van het bestaan van speciale kwantummechanica. Bohrs model van het atoom is voor velen een uitgangspunt geworden bij het construeren van nauwkeuriger theorieën over de beweging van subatomaire deeltjes. Niels Bohr kon geen exacte fysische interpretatie van de kwantisatieregel vinden, maar ook niet, aangezien de golfeigenschappen van elementaire deeltjes pas in de loop van de tijd werden ontdekt. Louis de Broglie, die de theorie van Bohr aanvulde met nieuwe ontdekkingen, bewees dat elke baan, volgensdie het elektron beweegt, is een golf die zich voortplant vanuit de kern. Vanuit dit oogpunt begon men de stationaire toestand van het atoom zodanig te beschouwen dat het wordt gevormd in het geval dat de golf, die een volledige omwenteling rond de kern heeft gemaakt, zich herha alt.