Rozwiązywanie zadań z fizyki: HISTORIA TEORII KWANTÓW. Część 4

Dzisiejszy wpis jest kontynuacją serii “Fizyka – HISTORIA TEORII KWANTÓW”. Poprzedni odcinek znajduje się tutaj

Tymczasem doświadczenia Becquerela, Curie i Rutherforda w pewnym stopniu wyjaśniły problem budo­wy atomu. W roku l911 na podstawie swych badań nad przenikaniem cząstek a [alfa] przez materię Rutherford opra­cował słynny model atomu. Atom przedstawiony został jako układ składający się z dodatnio naładowanego ją­dra, w którym skupiona jest niemal cała masa atomu, i z elektronów, krążących wokół niego jak planety wo­kół Słońca. Powstawanie wiązań chemicznych miedzy atomami różnych pierwiastków potraktowano jako wy­nik wzajemnego oddziaływania zewnętrznych elektro­nów tych atomów. Jądro nie ma bezpośredniego wpły­wu na wiązania chemiczne.

Chemiczne własności ato­mów zależą od jądra w sposób pośredni, wskutek tego, że jego ładunek decyduje o ilości elektronów w nie zjonizowanym atomie. Model ten początkowo nie wyjaśniał jednej z najbardziej charakterystycznych własności ato­mu, a mianowicie jego niezmiernej trwałości. Żaden układ planetarny, który porusza się zgodnie z prawami Newtona, nie może powrócić do stanu wyjściowego po zderzeniu z innym tego rodzaju układem. Natomiast atom, np. węgla, pozostaje atomem węgla, niezależnie od zderzeń i oddziaływań, którym ulega podczas reakcji chemicznej.

W roku 1913 Bohr, opierając się na hipotezie kwan­tów, sformułowanej przez Plancka, wytłumaczył tę nie­zwykłą trwałość atomu. Jeśli energia atomu może się zmieniać jedynie w sposób nieciągły – to wynika stąd nieuchronnie, że atom może znajdować się jedynie w dy­skretnych stanach stacjonarnych, z których stan odpo­wiadający najmniejszej energii jest jego stanem nor­malnym. Dlatego atom poddany jakiemukolwiek oddziaływaniu powróci ostatecznie do swego normalnego stanu.

Dzięki zastosowaniu teorii kwantów do konstruowa­nia modelu atomu Bohr zdołał nie tylko wyjaśnić fakt trwałości atomów, lecz również podać dla niektórych prostszych przypadków teoretyczne wytłumaczenie cha­rakteru liniowego widma promieniowania emitowanego przez atomy wzbudzone wskutek działania ciepła lub wyładowań elektrycznych. Jego teoria była oparta na prawach mechaniki klasycznej – zgodnie z którymi miały się poruszać elektrony po orbicie – oraz na pew­nych warunkach kwantowych, nakładających ograni­czenia na ruch elektronów i wyznaczających stacjonar­ne stany układu.

Ścisłe matematyczne sformułowanie tych warunków podał później Sommerfeld. Bohr świet­nie zdawał sobie sprawę z tego, że owe warunki naru­szają w pewnym stopniu wewnętrzną zwartość mecha­niki newtonowskiej. Na podstawie teorii Bohra można obliczyć częstotliwość promieniowania emitowanego przez najprostszy atom – atom wodoru, przy czym wy­nik okazuje się całkowicie zgodny z doświadczeniem. Uzyskane wartości różnią się jednak od częstości orbi­talnych oraz ich harmonicznych dla elektronów obraca­jących się wokół jądra i fakt ten był dodatkowym świa­dectwem tego, że teoria zawierała cały szereg sprzecz­ności. Zawierała ona jednak również istotną część praw­dy. Podawała jakościowe wytłumaczenie chemicznych własności atomów oraz własności widm liniowych. Do­świadczenia Francka i Hertza oraz Sterna i Gerlacha potwierdziły istnienie dyskretnych stanów stacjonar­nych.