การค้นพบในสาขาโครงสร้างอะตอมได้กลายเป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาฟิสิกส์ แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดมีความสำคัญอย่างยิ่ง อะตอมในฐานะระบบและอนุภาคที่ประกอบขึ้นได้รับการศึกษาอย่างแม่นยำและละเอียดยิ่งขึ้น สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาวิทยาศาสตร์เช่นฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ประสบความสำเร็จ
ความคิดโบราณเกี่ยวกับโครงสร้างของสสาร
การสันนิษฐานว่าวัตถุโดยรอบประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดที่สร้างขึ้นในสมัยโบราณ นักคิดในสมัยนั้นเป็นตัวแทนของอะตอมว่าเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดและแบ่งแยกไม่ได้ของสารใดๆ พวกเขาแย้งว่าไม่มีสิ่งใดในจักรวาลที่เล็กกว่าอะตอม ความคิดเห็นดังกล่าวจัดขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาชาวกรีกโบราณผู้ยิ่งใหญ่ - Democritus, Lucretius, Epicurus สมมติฐานของนักคิดเหล่านี้ในปัจจุบันรวมกันภายใต้ชื่อ "ปรมาณูโบราณ"
การแสดงในยุคกลาง
ยุคโบราณผ่านไปแล้ว และในยุคกลางก็มีนักวิทยาศาสตร์หลายคนตั้งสมมติฐานต่างๆ เกี่ยวกับโครงสร้างของสาร อย่างไรก็ตาม ความเด่นของมุมมองทางปรัชญาทางศาสนาและอำนาจของคริสตจักรในยุคนั้นอยู่ที่รากเหง้าระงับความพยายามและความทะเยอทะยานของจิตใจมนุษย์ในการสรุปและการค้นพบทางวิทยาศาสตร์เชิงวัตถุ อย่างที่คุณทราบ การสืบสวนในยุคกลางมีพฤติกรรมที่ไม่เป็นมิตรกับตัวแทนของโลกวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้น ยังคงต้องบอกว่าจิตใจที่สดใสในตอนนั้นมีความคิดที่มาจากสมัยโบราณเกี่ยวกับการแยกตัวไม่ออกของอะตอม
การศึกษาในศตวรรษที่ 18-19
ศตวรรษที่ 18 ถูกค้นพบโดยการค้นพบอย่างจริงจังในด้านโครงสร้างเบื้องต้นของสสาร ส่วนใหญ่ต้องขอบคุณความพยายามของนักวิทยาศาสตร์เช่น Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov และ John D alton พวกเขาสามารถพิสูจน์ได้ว่าอะตอมมีอยู่จริงโดยอิสระจากกันและกัน แต่คำถามเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของพวกเขายังคงเปิดอยู่ จุดสิ้นสุดของศตวรรษที่ 18 เป็นเหตุการณ์สำคัญในโลกวิทยาศาสตร์เมื่อ D. I. Mendeleev ค้นพบระบบธาตุเคมีเป็นระยะ นี่เป็นความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่อย่างแท้จริงและได้เปิดม่านขึ้นเหนือความเข้าใจว่าอะตอมทั้งหมดมีลักษณะเป็นเอกเทศซึ่งสัมพันธ์กัน ต่อมาในศตวรรษที่ 19 ขั้นตอนสำคัญอีกประการหนึ่งในการไขโครงสร้างของอะตอมคือการพิสูจน์ว่ามีอิเล็กตรอนอยู่ ผลงานของนักวิทยาศาสตร์ในยุคนี้เตรียมพื้นที่อุดมสมบูรณ์สำหรับการค้นพบในศตวรรษที่ 20
การทดลองของทอมสัน
นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ John Thomson ได้พิสูจน์ในปี 1897 ว่าอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ในขั้นตอนนี้ ความคิดที่ผิดๆ ที่ว่าอะตอมคือขีดจำกัดของการแตกตัวของสารใดๆ ได้ถูกทำลายไปในที่สุด ยังไงทอมสันสามารถพิสูจน์การมีอยู่ของอิเล็กตรอนได้หรือไม่? ในการทดลองของเขา นักวิทยาศาสตร์ได้วางอิเล็กโทรดในก๊าซที่มีความเข้มข้นสูงและส่งผ่านกระแสไฟฟ้า ผลที่ได้คือรังสีแคโทด Thomson ได้ศึกษาคุณลักษณะของพวกมันอย่างรอบคอบและพบว่าพวกมันเป็นกระแสของอนุภาคที่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณมวลของอนุภาคเหล่านี้และประจุของพวกมันได้ นอกจากนี้ เขายังพบว่าไม่สามารถแปลงเป็นอนุภาคที่เป็นกลางได้ เนื่องจากประจุไฟฟ้าเป็นพื้นฐานของธรรมชาติ นี่คือวิธีที่อิเล็กตรอนถูกค้นพบ ทอมสันยังเป็นผู้สร้างแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมรุ่นแรกของโลก อะตอมเป็นกลุ่มของสสารที่มีประจุบวกซึ่งมีการกระจายอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอย่างเท่าเทียมกัน โครงสร้างนี้อธิบายความเป็นกลางทั่วไปของอะตอม เนื่องจากประจุตรงข้ามจะสมดุลกัน การทดลองของ John Thomson มีค่ามากสำหรับการศึกษาโครงสร้างของอะตอมต่อไป อย่างไรก็ตาม คำถามมากมายยังไม่ได้รับคำตอบ
วิจัยรัทเธอร์ฟอร์ด
ทอมสันค้นพบการมีอยู่ของอิเล็กตรอน แต่เขาไม่พบอนุภาคที่มีประจุบวกในอะตอม Ernest Rutherford แก้ไขความเข้าใจผิดนี้ในปี 1911 ในระหว่างการทดลอง ศึกษากิจกรรมของอนุภาคแอลฟาในก๊าซ เขาค้นพบว่ามีอนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ในอะตอม รัทเทอร์ฟอร์ดเห็นว่าเมื่อรังสีผ่านแก๊สหรือผ่านแผ่นโลหะบางๆ อนุภาคจำนวนเล็กน้อยจะเบี่ยงเบนไปจากวิถีการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว พวกเขาถูกโยนกลับอย่างแท้จริง นักวิทยาศาสตร์เดาว่าพฤติกรรมนี้อธิบายได้จากการชนกับอนุภาคที่มีประจุบวก การทดลองดังกล่าวทำให้นักฟิสิกส์สร้างแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ดได้
แบบจำลองดาวเคราะห์
ตอนนี้ความคิดของนักวิทยาศาสตร์ค่อนข้างแตกต่างจากข้อสันนิษฐานของ John Thomson แบบจำลองอะตอมของพวกมันก็แตกต่างกันเช่นกัน ประสบการณ์ของรัทเทอร์ฟอร์ดทำให้เขาสามารถสร้างทฤษฎีใหม่ได้อย่างสมบูรณ์ในด้านนี้ การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาฟิสิกส์ต่อไป แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายอะตอมว่าเป็นนิวเคลียสที่อยู่ตรงกลาง และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ นิวเคลียสมีประจุบวก และอิเล็กตรอนมีประจุลบ แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่าการหมุนของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสตามวิถีโคจรบางอย่าง การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ช่วยอธิบายสาเหตุของการเบี่ยงเบนของอนุภาคแอลฟาและกลายเป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาทฤษฎีนิวเคลียร์ของอะตอม ในแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด มีความคล้ายคลึงกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะรอบดวงอาทิตย์ นี่เป็นการเปรียบเทียบที่แม่นยำและชัดเจนมาก ดังนั้นแบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ดซึ่งอะตอมเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในวงโคจรจึงถูกเรียกว่าดาวเคราะห์
งานโดย Niels Bohr
สองปีต่อมา นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Niels Bohr พยายามรวมแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมเข้ากับคุณสมบัติควอนตัมของฟลักซ์แสง นักวิทยาศาสตร์วางแบบจำลองอะตอมนิวเคลียร์ของรัทเทอร์ฟอร์ดเป็นพื้นฐานของทฤษฎีใหม่ของเขา ตามที่บอร์กล่าว อะตอมโคจรรอบนิวเคลียสในวงโคจรเป็นวงกลม วิถีการเคลื่อนที่ดังกล่าวทำให้เกิดความเร่งอิเล็กตรอน นอกจากนี้ ปฏิกิริยาคูลอมบ์ของอนุภาคเหล่านี้กับจุดศูนย์กลางของอะตอมยังมาพร้อมกับการสร้างและการใช้พลังงานเพื่อรักษาสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงพื้นที่ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว สักวันหนึ่งอนุภาคที่มีประจุลบจะต้องตกสู่นิวเคลียส แต่สิ่งนี้ไม่เกิดขึ้นซึ่งบ่งบอกถึงความเสถียรของอะตอมที่มากขึ้นในฐานะระบบ Niels Bohr ตระหนักว่ากฎของอุณหพลศาสตร์แบบคลาสสิกที่อธิบายโดยสมการของ Maxwell นั้นใช้ไม่ได้กับสภาวะภายในอะตอม ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงตั้งภารกิจในการหารูปแบบใหม่ๆ ที่สามารถใช้ได้ในโลกของอนุภาคมูลฐาน
ปณิธานของบอร์
ส่วนใหญ่เนื่องจากแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดมีอยู่จริง อะตอมและส่วนประกอบของมันจึงได้รับการศึกษาอย่างดี Niels Bohr จึงสามารถเข้าใกล้การสร้างสมมุติฐานของเขาได้ คนแรกบอกว่าอะตอมมีสถานะนิ่งซึ่งจะไม่เปลี่ยนพลังงานในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรโดยไม่เปลี่ยนวิถี ตามสมมติฐานที่สอง เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรหนึ่ง พลังงานจะถูกปลดปล่อยหรือดูดซับ มันเท่ากับความแตกต่างระหว่างพลังงานของสถานะก่อนหน้าและสถานะต่อมาของอะตอม ในกรณีนี้ หากอิเล็กตรอนกระโดดขึ้นสู่วงโคจรใกล้กับนิวเคลียส พลังงาน (โฟตอน) จะถูกปล่อยออกมา และในทางกลับกัน แม้ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะมีความคล้ายคลึงเพียงเล็กน้อยกับวิถีโคจรที่ตั้งอยู่ในวงกลมอย่างเคร่งครัด การค้นพบของบอร์ให้คำอธิบายที่ยอดเยี่ยมสำหรับการมีอยู่ของกฎเกณฑ์สเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน ในช่วงเวลาเดียวกัน นักฟิสิกส์ Hertz และ Frank ซึ่งอาศัยอยู่ในเยอรมนี ได้ยืนยันคำสอนของ Niels Bohr เกี่ยวกับการมีอยู่ของอะตอมคงที่และเสถียรของอะตอม และความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนค่าของพลังงานปรมาณู
ความร่วมมือของนักวิทยาศาสตร์สองคน
อย่างไรก็ตาม รัทเธอร์ฟอร์ดไม่สามารถระบุประจุของนิวเคลียสได้เป็นเวลานาน นักวิทยาศาสตร์ Marsden และ Geiger พยายามตรวจสอบคำกล่าวของ Ernest Rutherford อีกครั้งและจากการทดลองและการคำนวณอย่างละเอียดถี่ถ้วนและรอบคอบได้ข้อสรุปว่าเป็นนิวเคลียสซึ่งเป็นลักษณะที่สำคัญที่สุดของอะตอมและประจุทั้งหมด เข้มข้นอยู่ในนั้น ภายหลังได้รับการพิสูจน์แล้วว่าค่าประจุของนิวเคลียสมีค่าเท่ากับตัวเลขลำดับของธาตุในระบบธาตุของธาตุ D. I. Mendeleev ที่น่าสนใจคือในไม่ช้า Niels Bohr ได้พบกับ Rutherford และเห็นด้วยกับความคิดเห็นของเขาอย่างเต็มที่ ต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานร่วมกันเป็นเวลานานในห้องปฏิบัติการเดียวกัน แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมในฐานะระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุเบื้องต้น ทั้งหมดนี้ Niels Bohr ถือว่ายุติธรรมและละทิ้งแบบจำลองอิเล็กทรอนิกส์ของเขาไปตลอดกาล กิจกรรมทางวิทยาศาสตร์ร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จอย่างมากและเกิดผล แต่ละคนเจาะลึกการศึกษาคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานและได้ค้นพบที่สำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์ รัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบในภายหลังและพิสูจน์ความเป็นไปได้ของการสลายตัวของนิวเคลียร์ แต่นี่เป็นหัวข้อสำหรับบทความอื่น