Štruktúra atómu bola medzi fyzikmi dlho diskutabilnou témou, kým sa neobjavil model, ktorý vytvoril dánsky vedec Niels Bohr. Nebol prvý, kto sa pokúsil opísať pohyb subatomárnych častíc, ale bol to práve jeho vývoj, ktorý umožnil vytvoriť konzistentnú teóriu so schopnosťou predpovedať polohu elementárnej častice v tom či onom čase.
Životná cesta
Niels Bohr sa narodil 7. októbra 1885 v Kodani a zomrel tam 18. novembra 1962. Je považovaný za jedného z najväčších fyzikov a niet divu: práve jemu sa podarilo vybudovať konzistentný model atómov podobných vodíku. Podľa legendy videl vo sne, ako sa niečo ako planéty točí okolo istého svietivého redšieho centra. Tento systém sa potom drasticky zmenšil na mikroskopickú veľkosť.
Odvtedy Bohr usilovne hľadá spôsob, ako preložiť sen do vzorcov a tabuliek. Pozorným štúdiom modernej literatúry o fyzike, experimentovaním v laboratóriu a myslením sa mu podarilo dosiahnuť svojeCiele. Ani vrodená hanblivosť mu nezabránila zverejniť výsledky: hanbil sa hovoriť pred veľkým publikom, začal byť zmätený a publikum z vedcových vysvetlení nič nerozumelo.
Prekurzory
Pred Bohrom sa vedci pokúsili vytvoriť model atómu na základe postulátov klasickej fyziky. Najúspešnejší pokus patril Ernestovi Rutherfordovi. V dôsledku početných experimentov dospel k záveru o existencii masívneho atómového jadra, okolo ktorého sa po dráhach pohybujú elektróny. Keďže graficky bol takýto model podobný štruktúre slnečnej sústavy, názov planetárnej bol za ním posilnený.
Malo to však významnú nevýhodu: atóm zodpovedajúci Rutherfordovým rovniciam sa ukázal byť nestabilný. Skôr či neskôr museli elektróny, pohybujúce sa so zrýchlením na obežných dráhach okolo jadra, dopadať na jadro a ich energia by sa minula na elektromagnetické žiarenie. Pre Bohra sa Rutherfordov model stal východiskovým bodom pri budovaní vlastnej teórie.
Bohrov prvý postulát
Bohrovou hlavnou inováciou bolo odmietnutie použitia klasickej newtonovskej fyziky pri konštrukcii teórie atómu. Po štúdiu údajov získaných v laboratóriu dospel k záveru, že taký dôležitý zákon elektrodynamiky, akým je rovnomerne zrýchlený pohyb bez vlnového žiarenia, vo svete elementárnych častíc nefunguje.
Výsledkom jeho úvah bol zákon, ktorý znie takto: atómový systém je stabilný iba vtedy, ak je v jednom z možných stacionárnych(kvantové) stavy, z ktorých každý zodpovedá určitej energii. Zmyslom tohto zákona, inak nazývaného postulát kvantových stavov, je rozpoznať neprítomnosť elektromagnetického žiarenia, keď je atóm v takomto stave. Dôsledkom prvého postulátu je tiež rozpoznanie prítomnosti energetických hladín v atóme.
Pravidlo frekvencie
Bolo však zrejmé, že atóm nemôže byť vždy v rovnakom kvantovom stave, pretože stabilita popiera akúkoľvek interakciu, čo znamená, že by v ňom neexistoval ani vesmír, ani pohyb. Zjavný rozpor vyriešil druhý postulát Bohrovho modelu atómovej štruktúry, známy ako frekvenčné pravidlo. Atóm je schopný prejsť z jedného kvantového stavu do druhého so zodpovedajúcou zmenou energie, pričom emituje alebo absorbuje kvantum, ktorého energia sa rovná rozdielu medzi energiami stacionárnych stavov.
Druhý postulát tiež odporuje klasickej elektrodynamike. Podľa Maxwellovej teórie povaha pohybu elektrónu nemôže ovplyvniť frekvenciu jeho žiarenia.
Atómové spektrum
Bohrov kvantový model bol možný vďaka starostlivému štúdiu spektra atómu. Vedci boli dlho v rozpakoch, že namiesto očakávanej súvislej farebnej oblasti získanej štúdiom spektier nebeských telies bol spektrogram atómu nespojitý. Línie jasných farieb neprechádzali jedna do druhej, ale boli oddelené pôsobivými tmavými plochami.
Teória prechodu elektrónov z jedného kvantového stavu doiný vysvetlil túto zvláštnosť. Keď sa elektrón presunul z jednej energetickej hladiny na druhú, kde sa od neho vyžadovalo menej energie, vyžaroval kvantum, ktoré sa prejavilo na spektrograme. Bohrova teória okamžite preukázala schopnosť predpovedať ďalšie zmeny v spektrách jednoduchých atómov, ako je vodík.
Chyby
Bohrova teória sa úplne nerozišla s klasickou fyzikou. Stále si zachovala myšlienku orbitálneho pohybu elektrónov v elektromagnetickom poli jadra. Myšlienka kvantovania počas prechodu z jedného stacionárneho stavu do druhého úspešne doplnila planetárny model, ale stále nevyriešila všetky rozpory.
Hoci vo svetle Bohrovho modelu sa elektrón nemohol dostať do špirálového pohybu a spadnúť do jadra, pričom nepretržite vyžaroval energiu, nebolo jasné, prečo by nemohol postupne stúpať na vyššie energetické hladiny. V tomto prípade by všetky elektróny skôr či neskôr skončili v stave s najnižšou energiou, čo by viedlo k zničeniu atómu. Ďalším problémom boli anomálie v atómových spektrách, ktoré teória nevysvetlila. V roku 1896 Peter Zeeman uskutočnil zvláštny experiment. Umiestnil atómový plyn do magnetického poľa a urobil spektrogram. Ukázalo sa, že niektoré spektrálne čiary sa rozdelili na niekoľko. Takýto účinok nebol v Bohrovej teórii vysvetlený.
Zostavenie modelu atómu vodíka podľa Bohra
Napriek všetkým nedostatkom svojej teórie dokázal Niels Bohr zostaviť realistický model atómu vodíka. Pri tom použil frekvenčné pravidlo a zákony klasikymechanika. Bohrove výpočty na určenie možných polomerov dráh elektrónov a výpočet energie kvantových stavov sa ukázali ako celkom presné a experimentálne sa potvrdili. Frekvencie emisie a absorpcie elektromagnetických vĺn zodpovedali umiestneniu tmavých medzier na spektrogramoch.
Na príklade atómu vodíka sa teda dokázalo, že každý atóm je kvantový systém s diskrétnymi energetickými úrovňami. Okrem toho sa vedec podarilo nájsť spôsob, ako spojiť klasickú fyziku a jeho postuláty pomocou princípu korešpondencie. Uvádza, že kvantová mechanika zahŕňa zákony newtonovskej fyziky. Za určitých podmienok (napríklad ak bolo kvantové číslo dostatočne veľké) sa kvantová a klasická mechanika zbližujú. Dokázala to skutočnosť, že s nárastom kvantového čísla sa dĺžka tmavých medzier v spektre zmenšila až do úplného vymiznutia, ako sa očakávalo vo svetle newtonovských konceptov.
Význam
Zavedenie princípu korešpondencie sa stalo dôležitým medzikrokom k uznaniu existencie špeciálnej kvantovej mechaniky. Bohrov model atómu sa stal pre mnohých východiskovým bodom pri konštrukcii presnejších teórií pohybu subatomárnych častíc. Niels Bohr nedokázal nájsť presnú fyzikálnu interpretáciu kvantizačného pravidla, ale nepodarilo sa mu to, pretože vlnové vlastnosti elementárnych častíc boli objavené až časom. Louis de Broglie, dopĺňajúc Bohrovu teóriu o nové objavy, dokázal, že každá obežná dráha sa podľaktorým sa elektrón pohybuje je vlna šíriaca sa od jadra. Z tohto hľadiska sa stacionárny stav atómu začal považovať za taký, že vzniká v prípade, keď sa vlna po kompletnej revolúcii okolo jadra opakuje.
