เป็นเวลานาน ที่โครงสร้างของอะตอมเป็นหัวข้อที่ถกเถียงกันในหมู่นักฟิสิกส์ จนกระทั่งแบบจำลองที่สร้างขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก Niels Bohr ปรากฏขึ้น เขาไม่ใช่คนแรกที่พยายามอธิบายการเคลื่อนที่ของอนุภาคย่อย แต่การพัฒนาของเขาทำให้สามารถสร้างทฤษฎีที่สอดคล้องกับความสามารถในการทำนายตำแหน่งของอนุภาคมูลฐานในคราวเดียวหรืออย่างอื่น
เส้นทางชีวิต
นีลส์ บอร์ เกิดเมื่อวันที่ 7 ตุลาคม พ.ศ. 2428 ที่โคเปนเฮเกน และเสียชีวิตที่นั่นเมื่อวันที่ 18 พฤศจิกายน พ.ศ. 2505 เขาได้รับการยกย่องให้เป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุด และไม่น่าแปลกใจเลยว่าทำไมเขาถึงสร้างแบบจำลองอะตอมคล้ายไฮโดรเจนได้อย่างสม่ำเสมอ ตามตำนาน เขาเห็นในความฝันว่ามีบางสิ่งที่คล้ายดาวเคราะห์โคจรรอบศูนย์กลางที่หายากซึ่งเรืองแสงได้ จากนั้นระบบก็ย่อเล็กลงอย่างมากจนเหลือขนาดจิ๋ว
ตั้งแต่นั้นมา บอร์ก็ค้นหาวิธีที่จะแปลงความฝันเป็นสูตรและตารางอย่างหนัก โดยศึกษาวรรณคดีสมัยใหม่ทางฟิสิกส์อย่างถี่ถ้วน ทดลองในห้องทดลองและคิด ทำให้เขาบรรลุเป้าหมาย แม้แต่ความเขินอายที่มีมาแต่กำเนิดก็ไม่ได้ขัดขวางไม่ให้เขาเผยแพร่ผลงาน: เขาอายที่จะพูดต่อหน้าผู้ชมจำนวนมาก เขาเริ่มสับสน และผู้ชมไม่เข้าใจอะไรจากคำอธิบายของนักวิทยาศาสตร์
สารตั้งต้น
ก่อนหน้าบอร์ นักวิทยาศาสตร์พยายามสร้างแบบจำลองของอะตอมตามหลักสมมุติฐานของฟิสิกส์คลาสสิก ความพยายามที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดเป็นของเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด จากการทดลองหลายครั้ง เขาได้ข้อสรุปเกี่ยวกับการมีอยู่ของนิวเคลียสอะตอมขนาดใหญ่ ซึ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นวงโคจร เนื่องจากโมเดลดังกล่าวมีความคล้ายคลึงกับโครงสร้างของระบบสุริยะ จึงมีชื่อดาวเคราะห์ที่อยู่เบื้องหลังมันอย่างแข็งแกร่ง
แต่ก็มีข้อเสียคือ อะตอมที่สอดคล้องกับสมการของรัทเธอร์ฟอร์ดกลับกลายเป็นว่าไม่เสถียร ไม่ช้าก็เร็ว อิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร่งในวงโคจรรอบนิวเคลียสต้องตกบนนิวเคลียส และพลังงานของพวกมันจะถูกใช้ไปกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า สำหรับบอร์แล้ว โมเดลรัทเทอร์ฟอร์ดได้กลายเป็นจุดเริ่มต้นในการสร้างทฤษฎีของตัวเอง
สมมติฐานแรกของบอร์
นวัตกรรมหลักของบอร์คือการปฏิเสธการใช้ฟิสิกส์นิวตันแบบคลาสสิกในการสร้างทฤษฎีของอะตอม จากการศึกษาข้อมูลที่ได้รับในห้องปฏิบัติการ เขาได้ข้อสรุปว่ากฎที่สำคัญของอิเล็กโทรไดนามิกเช่นการเคลื่อนที่ที่เร่งอย่างสม่ำเสมอโดยไม่มีการแผ่รังสีคลื่นจะไม่ทำงานในโลกของอนุภาคมูลฐาน
ผลจากการสะท้อนของเขาคือกฎที่ฟังดูเหมือน: ระบบอะตอมจะเสถียรก็ต่อเมื่ออยู่ในตำแหน่งคงที่อย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น(ควอนตัม) ระบุซึ่งแต่ละอันสอดคล้องกับพลังงานบางอย่าง ความหมายของกฎหมายนี้ หรือที่เรียกว่าสมมุติฐานของสถานะควอนตัม คือการรับรู้ถึงการไม่มีรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่ออะตอมอยู่ในสถานะดังกล่าว นอกจากนี้ ผลที่ตามมาของสมมติฐานแรกคือการรับรู้ถึงระดับพลังงานในอะตอม
กฎความถี่
อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่าอะตอมไม่สามารถอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันได้เสมอไป เนื่องจากความเสถียรปฏิเสธการมีปฏิสัมพันธ์ใดๆ ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีทั้งจักรวาลและการเคลื่อนที่ในนั้น ความขัดแย้งที่เห็นได้ชัดได้รับการแก้ไขโดยสมมุติฐานที่สองของแบบจำลองโครงสร้างอะตอมของบอร์หรือที่เรียกว่ากฎความถี่ อะตอมสามารถเคลื่อนที่จากสถานะควอนตัมหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่สอดคล้องกัน การเปล่งหรือดูดซับควอนตัม ซึ่งพลังงานนั้นเท่ากับความแตกต่างระหว่างพลังงานของรัฐที่อยู่กับที่
สมมุติฐานที่สองขัดแย้งกับอิเล็กโทรไดนามิกแบบคลาสสิก ตามทฤษฎีของ Maxwell ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไม่สามารถส่งผลต่อความถี่ของการแผ่รังสีได้
อะตอมสเปกตรัม
แบบจำลองควอนตัมของบอร์เกิดขึ้นได้ด้วยการศึกษาสเปกตรัมของอะตอมอย่างรอบคอบ เป็นเวลานานที่นักวิทยาศาสตร์รู้สึกอับอายที่แทนที่จะได้รับขอบเขตสีต่อเนื่องที่คาดหวังได้จากการศึกษาสเปกตรัมของวัตถุท้องฟ้า สเปกโตรแกรมของอะตอมไม่ต่อเนื่อง เส้นสีสดใสไม่ไหลเข้าหากัน แต่ถูกคั่นด้วยพื้นที่มืดที่น่าประทับใจ
ทฤษฎีการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากสถานะควอนตัมหนึ่งสถานะเป็นอีกคนหนึ่งอธิบายความแปลกประหลาดนี้ เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากระดับพลังงานหนึ่งไปอีกระดับหนึ่งซึ่งต้องการพลังงานน้อยกว่า อิเล็กตรอนจะปล่อยควอนตัมซึ่งสะท้อนอยู่ในสเปกโตรแกรม ทฤษฎีของบอร์แสดงให้เห็นทันทีว่าสามารถทำนายการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมในสเปกตรัมของอะตอมธรรมดาอย่างไฮโดรเจนได้
ข้อบกพร่อง
ทฤษฎีของบอร์ไม่ได้หักล้างฟิสิกส์คลาสสิกอย่างสมบูรณ์ เธอยังคงรักษาความคิดของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวงโคจรของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของนิวเคลียส แนวคิดเรื่องการหาปริมาณระหว่างการเปลี่ยนสถานะนิ่งหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งช่วยเสริมแบบจำลองดาวเคราะห์ได้สำเร็จ แต่ก็ยังไม่สามารถแก้ไขข้อขัดแย้งทั้งหมดได้
แม้ว่าจะดูจากแบบจำลองของบอร์แล้ว อิเล็กตรอนก็ไม่สามารถเคลื่อนที่เป็นเกลียวและตกลงไปในนิวเคลียสได้ โดยแผ่พลังงานออกมาอย่างต่อเนื่อง แต่ก็ยังไม่มีความชัดเจนว่าเหตุใดจึงไม่สามารถเพิ่มระดับพลังงานให้สูงขึ้นได้อย่างต่อเนื่อง ในกรณีนี้ อิเลคตรอนทั้งหมดจะอยู่ในสถานะพลังงานต่ำสุดไม่ช้าก็เร็ว ซึ่งจะนำไปสู่การทำลายอะตอม ปัญหาอีกประการหนึ่งคือความผิดปกติในสเปกตรัมอะตอมที่ทฤษฎีไม่ได้อธิบาย ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2439 Peter Zeeman ได้ทำการทดลองที่น่าสนใจ เขาวางก๊าซปรมาณูในสนามแม่เหล็กและถ่ายสเปกโตรแกรม ปรากฎว่าเส้นสเปกตรัมบางเส้นแบ่งออกเป็นหลายเส้น ผลกระทบดังกล่าวไม่ได้อธิบายไว้ในทฤษฎีของบอร์
สร้างแบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนตามคำบอกของบอร์
แม้จะมีข้อบกพร่องทั้งหมดในทฤษฎีของเขา Niels Bohr ก็สามารถสร้างแบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนที่เหมือนจริงได้ ในการทำเช่นนั้น เขาใช้กฎความถี่และกฎคลาสสิกกลศาสตร์. การคำนวณของบอร์เพื่อหารัศมีที่เป็นไปได้ของวงโคจรของอิเล็กตรอนและคำนวณพลังงานของสถานะควอนตัมนั้นค่อนข้างแม่นยำและได้รับการยืนยันจากการทดลอง ความถี่ของการปล่อยและการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกับตำแหน่งของช่องว่างที่มืดบนสเปกโตรแกรม
ดังนั้น โดยใช้ตัวอย่างของอะตอมไฮโดรเจน ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าแต่ละอะตอมเป็นระบบควอนตัมที่มีระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถหาวิธีที่จะรวมฟิสิกส์คลาสสิกและสมมติฐานของเขาโดยใช้หลักการโต้ตอบ มันระบุว่ากลศาสตร์ควอนตัมรวมถึงกฎของฟิสิกส์ของนิวตัน ภายใต้เงื่อนไขบางประการ (เช่น หากจำนวนควอนตัมมากเพียงพอ) กลศาสตร์ควอนตัมและคลาสสิกจะมาบรรจบกัน สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดยข้อเท็จจริงที่ว่าด้วยจำนวนควอนตัมที่เพิ่มขึ้น ความยาวของช่องว่างมืดในสเปกตรัมลดลงจนหายไปอย่างสมบูรณ์ ตามที่คาดไว้ในแง่ของแนวคิดของนิวตัน
ความหมาย
การแนะนำหลักการโต้ตอบได้กลายเป็นขั้นตอนกลางที่สำคัญต่อการรับรู้ถึงการมีอยู่ของกลศาสตร์ควอนตัมพิเศษ แบบจำลองอะตอมของบอร์ได้กลายเป็นจุดเริ่มต้นในการสร้างทฤษฎีที่แม่นยำยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคย่อยของอะตอม Niels Bohr ไม่สามารถค้นหาการตีความทางกายภาพที่แน่นอนของกฎการหาปริมาณ แต่เขาก็ไม่สามารถทำได้เช่นกัน เนื่องจากคุณสมบัติคลื่นของอนุภาคมูลฐานถูกค้นพบเมื่อเวลาผ่านไปเท่านั้น Louis de Broglie เสริมทฤษฎีของ Bohr ด้วยการค้นพบใหม่ พิสูจน์แล้วว่าแต่ละวงโคจรตามซึ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นคลื่นที่แพร่กระจายจากนิวเคลียส จากมุมมองนี้ สถานะนิ่งของอะตอมเริ่มได้รับการพิจารณาว่าก่อตัวขึ้นในกรณีที่คลื่นทำการปฏิวัติรอบนิวเคลียสอย่างสมบูรณ์แล้วซ้ำอีก
