Pikka aega oli aatomi struktuur füüsikute seas vaieldav teema, kuni ilmus Taani teadlase Niels Bohri loodud mudel. Ta ei olnud esimene, kes püüdis kirjeldada subatomaarsete osakeste liikumist, kuid just tema arendused võimaldasid luua järjekindla teooria, mis võimaldas ühel või teisel ajal ennustada elementaarosakese asukohta.
Elutee
Niels Bohr sündis 7. oktoobril 1885 Kopenhaagenis ja suri seal 18. novembril 1962. Teda peetakse üheks suurimaks füüsikuks ja pole ka ime: just temal õnnestus luua ühtne vesinikulaadsete aatomite mudel. Legendi järgi nägi ta unes, kuidas midagi planeetide taolist tiirleb ümber teatud helendava haruldase keskuse. See süsteem kahanes seejärel drastiliselt mikroskoopiliseks suuruseks.
Sellest ajast peale on Bohr pings alt otsinud viisi, kuidas unistus valemiteks ja tabeliteks tõlkida. Uurides hoolik alt kaasaegset füüsikaalast kirjandust, katsetades laboris ja mõeldes, suutis ta saavutada omaeesmärgid. Isegi kaasasündinud häbelikkus ei takistanud tal tulemusi avaldamast: tal oli piinlik suure publiku ees rääkida, ta hakkas segadusse minema ja publik ei saanud teadlase selgitustest midagi aru.
Eelkäijad
Enne Bohri püüdsid teadlased klassikalise füüsika postulaatide põhjal luua aatomi mudelit. Edukaim katse kuulus Ernest Rutherfordile. Arvukate katsete tulemusena jõudis ta järeldusele massiivse aatomituuma olemasolu kohta, mille ümber elektronid orbiitidel liiguvad. Kuna graafiliselt sarnanes selline mudel päikesesüsteemi ehitusega, tugevdati selle taga planeedi nime.
Kuid sellel oli märkimisväärne puudus: Rutherfordi võrranditele vastav aatom osutus ebastabiilseks. Varem või hiljem pidid tuuma ümber orbiitidel kiirendusega liikuvad elektronid tuumale langema ja nende energia kuluks elektromagnetkiirgusele. Bohri jaoks sai Rutherfordi mudel oma teooria loomise lähtepunktiks.
Bohri esimene postulaat
Bohri peamine uuendus oli klassikalise Newtoni füüsika kasutamise tagasilükkamine aatomiteooria koostamisel. Olles uurinud laboris saadud andmeid, jõudis ta järeldusele, et nii oluline elektrodünaamika seadus nagu ühtlaselt kiirendatud liikumine ilma lainekiirguseta elementaarosakeste maailmas ei toimi.
Tema mõtiskluste tulemuseks oli seadus, mis kõlab järgmiselt: aatomisüsteem on stabiilne ainult siis, kui see on ühes võimalikus statsionaarses(kvant)olekud, millest igaüks vastab teatud energiale. Selle seaduse, mida muidu nimetatakse kvantolekute postulaadiks, mõte seisneb elektromagnetilise kiirguse puudumise äratundmises, kui aatom on sellises olekus. Samuti on esimese postulaadi tagajärg aatomis energiatasemete olemasolu äratundmine.
Sageduse reegel
Samas oli ilmne, et aatom ei saa alati olla samas kvantseisundis, kuna stabiilsus eitab igasugust vastastikmõju, mis tähendab, et selles ei toimuks ei Universumit ega liikumist. Ilmne vastuolu lahendati Bohri aatomistruktuuri mudeli teise postulaadiga, mida tuntakse sagedusreeglina. Aatom on võimeline liikuma ühest kvantseisundist teise vastava energiamuutusega, kiirgades või neelates kvanti, mille energia on võrdne statsionaarsete olekute energiate vahega.
Teine postulaat on vastuolus ka klassikalise elektrodünaamikaga. Maxwelli teooria kohaselt ei saa elektroni liikumise iseloom mõjutada selle kiirguse sagedust.
Aatomi spekter
Bohri kvantmudel sai võimalikuks tänu aatomi spektri hoolikale uurimisele. Teadlastel oli pikka aega piinlik, et taevakehade spektrite uurimisel saadud oodatud pideva värvipiirkonna asemel oli aatomi spektrogramm katkendlik. Erksavärvilised jooned ei voolanud üksteise sisse, vaid neid eraldasid muljetavaldavad tumedad alad.
Teooria elektronide üleminekust ühest kvantolekust olekusseteine seletas seda veidrust. Kui elektron liikus ühelt energiatasemelt teisele, kus tem alt nõuti vähem energiat, kiirgas ta välja kvanti, mis kajastus spektrogrammis. Bohri teooria näitas koheselt võimet ennustada edasisi muutusi lihtsate aatomite nagu vesiniku spektrites.
Puudused
Bohri teooria ei murdunud täielikult klassikalise füüsikaga. Ta säilitas endiselt idee elektronide orbitaalsest liikumisest tuuma elektromagnetväljas. Kvantimise idee üleminekul ühest statsionaarsest olekust teise täiendas eduk alt planeedimudelit, kuid siiski ei lahendanud kõiki vastuolusid.
Kuigi Bohri mudeli valguses ei saanud elektron minna spiraalselt liikuma ja langeda tuuma, kiirgades pidev alt energiat, jäi ebaselgeks, miks see ei saanud järjest kõrgemale energiatasemele tõusta. Sel juhul satuksid kõik elektronid varem või hiljem madalaima energiaga olekusse, mis tooks kaasa aatomi hävimise. Teiseks probleemiks olid aatomispektrite anomaaliad, mida teooria ei selgitanud. 1896. aastal viis Peter Zeeman läbi uudishimuliku katse. Ta asetas aatomgaasi magnetvälja ja võttis spektrogrammi. Selgus, et mõned spektrijooned jagunesid mitmeks. Sellist mõju Bohri teoorias ei selgitatud.
Bohri järgi vesinikuaatomi mudeli koostamine
Vaatamata kõigile oma teooria puudustele, suutis Niels Bohr luua vesinikuaatomi realistliku mudeli. Seejuures kasutas ta sagedusreeglit ja klassika seadusimehaanika. Bohri arvutused elektronide orbiitide võimalike raadiuste määramiseks ja kvantolekute energia arvutamiseks osutusid üsna täpseks ja said katseliselt kinnitust. Elektromagnetlainete emissiooni ja neeldumise sagedused vastasid spektrogrammi tumedate lünkade asukohale.
Seega tõestati vesinikuaatomi näitel, et iga aatom on diskreetse energiatasemega kvantsüsteem. Lisaks suutis teadlane leida mooduse klassikalise füüsika ja tema postulaatide ühendamiseks vastavusprintsiipi kasutades. Selles öeldakse, et kvantmehaanika hõlmab Newtoni füüsika seadusi. Teatud tingimustel (näiteks kui kvantarv oli piisav alt suur) koonduvad kvant- ja klassikaline mehaanika. Seda tõestas tõsiasi, et kvantarvu suurenemisega vähenes spektri tumedate tühikute pikkus kuni täieliku kadumiseni, nagu Newtoni mõistete valguses eeldati.
Tähendus
Korrespondentsiprintsiibi kasutuselevõtt on saanud oluliseks vahesammuks erilise kvantmehaanika olemasolu tunnustamise suunas. Bohri aatomimudel on saanud paljude jaoks lähtepunktiks subatomaarsete osakeste liikumise täpsemate teooriate koostamisel. Niels Bohr ei suutnud leida kvantimisreegli täpset füüsikalist tõlgendust, kuid ta ei saanud ka seda teha, kuna elementaarosakeste lainelised omadused avastati alles aja jooksul. Louis de Broglie, täiendades Bohri teooriat uute avastustega, tõestas, et iga orbiit, vastav altmida elektron liigutab, on tuumast leviv laine. Sellest vaatenurgast hakati aatomi statsionaarset olekut pidama selliseks, et see tekib juhul, kui laine, olles teinud tuuma ümber täieliku pöörde, kordub.
