Bohr-modellen:Hurtigt udskiftet, men aldrig glemt

Vigtige takeaways

• Niels Bohrs model, som afbildede elektroner, der kredser om kernen som planeter omkring solen, blev tildelt en Nobelpris i 1922 på trods af at den var teknisk ukorrekt.
• Arnold Sommerfeld forbedrede Bohr-modellen i 1916 med elliptiske baner.
• På trods af dens unøjagtigheder forbliver Bohr-modellen et grundlæggende undervisningsværktøj til at introducere begrebet atomer.

Du kan søge efter et billede af et atom på internettet, og du vil finde et, selvom ingen faktisk har set et atom før. Men vi har fået et skøn over, hvordan et enkelt atom ser ud på grund af arbejdet fra en flok forskellige videnskabsmænd som den danske fysiker Niels Bohr.

Atomer er stoffets byggesten - et enkelt atom af ethvert enkelt element er den mest basale entitet i naturen, som stadig overholder de fysikregler, vi kan observere i hverdagen (de subatomære partikler, der udgør atomer, har deres egne specielle regler) . Forskere havde mistanke om, at atomer eksisterede i lang tid, før de kunne begrebsliggøre deres struktur - selv de gamle grækere regnede med, at universets stof var opbygget af komponenter så små, at de ikke kunne nedbrydes til noget mindre, og de kaldte disse grundlæggende enheder atomos , som betyder "udelt". I slutningen af ​​det 19. århundrede var det underforstået, at kemiske stoffer kunne nedbrydes til atomer, som var meget små, og atomer af forskellige grundstoffer havde en forudsigelig vægt.

Men så, i 1897, blev den britiske fysiker J.J. Thomson opdagede elektroner - negativt ladede partikler inde i atomerne, som alle havde brugt mere end et århundrede på at tro var helt udelelige - som de mindste ting, der eksisterede. Thomson havde bare en hypotese om, at elektroner eksisterede, men han kunne ikke finde ud af præcis, hvordan elektroner passer ind i et atom. Hans bedste gæt var "blommebudding-modellen", som skildrede atomet som en positivt ladet tærte besat med negativt ladede områder spredt rundt som frugt i en gammeldags dessert.

"Elektroner viste sig at være negative elektriske, og alle med samme masse og meget små sammenlignet med atomer," siger Dudley Herschbach, en Harvard-kemiker, der delte Nobelprisen i kemi i 1986 for sine "bidrag vedrørende dynamikken i kemiske elementære processer ", i en e-mail. "Ernest Rutherford opdagede kernen i 1911. Kernerne var positive elektriske med forskellige masser, men meget større end elektroner, men alligevel meget små i størrelse."

Et kæmpe spring fremad

Niels Bohr var Rutherfords elev, der spilagtigt overtog sin mentors projekt med at dechifrere atomets struktur i 1912. Det tog ham kun et år at komme med en arbejdsmodel af et brintatom.

"Bohrs model fra 1913 for brintatomet havde cirkulære elektronbaner om protonen - ligesom Jorden kredser om solen," siger Herschbach. "Bohr havde gjort brug af et simpelt og regulært mønster for brintatomets spektrum, som var blevet fundet af Johann Balmer i 1885. Han gjorde også brug af ideen om kvanteideen, fundet af Max Planck i 1900."

I 1913 var Bohrs model et kæmpe spring fremad, fordi den inkorporerede træk ved den nyfødte kvantemekanik i beskrivelsen af ​​atomer og molekyler. Det år udgav han tre artikler om sammensætningen af ​​atomer og molekyler:Den første og mest berømte var viet til brintatomet, og de to andre beskrev nogle grundstoffer med flere elektroner ved at bruge hans model som ramme. Den model, han foreslog for brintatomet, havde elektroner, der bevægede sig rundt om kernen, men kun på specielle spor med forskellige energiniveauer. Bohr antog, at lys blev udsendt, når en elektron hoppede fra et spor med højere energi til et spor med lavere energi - det var det, der fik brint til at gløde i et glasrør. Han fik brint rigtigt, men hans model var lidt glitchy.

"Modellen formåede ikke at forudsige den rigtige værdi af grundtilstandsenergierne for mange-elektronatomer og molekylernes bindingsenergier - selv for de simpleste 2-elektronsystemer, såsom heliumatomet eller et brintmolekyle," siger Anatoly Svidzinsky , professor ved Institute for Quantum Science and Engineering ved Texas A&M, i et e-mailinterview. "Så allerede i 1913 var det klart, at Bohrs model ikke er helt korrekt. Selv for brintatomet forudsiger Bohrs model forkert, at atomets grundtilstand besidder ikke-nul orbital vinkelmomentum."

Nobelprisen 1922

Hvilket selvfølgelig måske ikke giver meget mening for dig, hvis du ikke er kvantefysiker. Men Bohrs model blev hurtigt sporet til at modtage en Nobelpris i fysik i 1922. Men selv da Bohr cementerede sit ry i fysikkens verden, var videnskabsmænd ved at forbedre hans model:

"Bohrs model for brintatomet blev forbedret af Arnold Sommerfeld i 1916," siger Herschbach. "Han fandt elliptiske baner, som tegnede sig for spektralinjer i nærheden af ​​dem, der var kommet fra cirkulære baner. Bohr-Sommerfeld-modellen for brintatomet er grundlæggende, men kvante og relativitet blev vigtige aspekter."

Mellem 1925 og 1928 udviklede Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli, Erwin Schrodinger og Paul Dirac disse aspekter langt ud over Bohrs atommodel, men hans er langt den mest anerkendte model af et atom. De atomare modeller, kvantefysikken har givet os, ligner mindre en sol omgivet af elektronplaneter og mere som moderne kunst. Det er sandsynligt, at vi stadig bruger Bohr-modellen, fordi det er en god introduktion til begrebet et atom.

"I 1913 demonstrerede Bohrs model, at kvantisering er en rigtig vej at gå i beskrivelsen af ​​mikroverdenen," siger Svidzinsky. "Således viste Bohrs model forskerne en retning til at søge og stimulerede yderligere udvikling af kvantemekanikken. Hvis du kender vejen, så vil du før eller siden finde den rigtige løsning på problemet. Man kan tænke på Bohrs model som en af ​​de retningsskilte langs en vandresti ind i kvanteverdenen."

Nu er det interessant

Niels Bohrs far, Christian Bohr, blev nomineret til tre forskellige nobelpriser i medicinens fysiologi, selvom han aldrig vandt.

Ofte stillede spørgsmål

Hvorfor undervises der stadig i Bohr-modellen i skolerne, selv om den er teknisk forkert?

Bohr-modellen tilbyder en forenklet måde at introducere begrebet atomer og elektronbaner på, hvilket giver en grundlæggende forståelse, før man går over til mere komplekse kvantemekaniske modeller.

Hvad erstattede Bohr-modellen?

Bohr-modellen blev afløst af kvantemekaniske modeller, der beskriver elektronadfærd ikke som baner, men som sandsynlige steder omkring kernen.