Objev struktury atomu a vývoj názorů na jeho stavbu
- Objev radioaktivity v 19. století a vysvětlení její podstaty na začátku 20. století
si vynutily změnu v nazírání na atom. Bylo třeba opustit představu o neměnném
a nezničitelném atomu, na níž byla postavena fyzika i chemie 19. století.
-
- První model atomu navrhl J. J. Thomson roku 1904, když poznal, že elektrony
lze uvolnit z atomu kteréhokoli prvku a jsou tedy jeho nezbytnou součástí.
Podle tohoto modelu je atom kulový, kladně nabitý útvar, v němž jsou rozptýleny
záporně nabité elektrony. Jejich náboj kompenzuje náboj kladně nabitého útvaru.
Tento model umožnil vysvětlit ionizaci atomu, původ rentgenového záření i
elektrické vlastnosti látek.
-
- V roce 1909 byly prováděny pokusy, pod vedením E. Rutherforda, které
vedly k myšlence, že atom má nepatrné, ale masivní centrum, které nese
elektrický náboj. Tento objev byl podnětem k tomu, že Rutherford roku 1911
vytvořil planetární model atomu. Podle jeho představ se každý atom skládal
z kladně nabitého jádra, kolem něhož obíhaly záporně nabité elektrony –
podobně jako obíhají planety kolem Slunce. Tento model však odporoval
poznatkům klasické fyziky o elektřině. Pohybem elektronů kolem jádra by
se totiž měla měnit jejich energie. Postupnou ztrátou kinetické energie
by se elektron velmi rychle blížil k jádru, až by s ním nakonec zcela splynul.
-
- Rozpory E. Rutheforda odstranil N. Bohr, který s ním v letech 1912-1913
spolupracoval. Vyslovil hypotézu, že zákony klasické mechaniky a elektrodynamiky
makroskopických těles neplatí pro částice atomových jader a elektrony.
Podle jeho teorie se mohou elektrony pohybovat pouze po tzv. stacionárních
drahách o určité energii a jejich moment hybnosti může nabývat pouze
určitých hodnot. Dále vycházel z předpokladu, že elektrony na těchto drahách
nevyzařují žádnou energii. Jen tehdy, když elektron mění svou dráhu,
vyzařuje nebo absorbuje atom energii o určitých dávkách - kvantech. Model
umožnil vysvětlit i chemické chování prvků. Kvantová čísla, zavedená k
popisu elektronové struktury, představovala užitečnou pomůcku, ale chyběl
jim reálný fyzikální význam. Tento model sice některé problémy objasnil,
vyvolal však řadu dalších otázek.
-
- V roce 1916 se A. Sommerfeld pokusil zpřesnit Bohrův model atomu tím,
že elektrony obíhají kolem jádra nikoliv po kruhových, ale obecně po
eliptických drahách. Ani tímto modelem se však nepodařilo plně vysvětlit spektra atomů.
-
- S. Goudsmit a G. Ulenbeck zavedli k vysvětlení rozporu další kvantové
číslo – spinové.
-
- Nejvýznamnější experimenty, které potvrdili kvantování energetických
hladin elektronů v atomech, byly provedeny J. Franckem a G.Hertzem.
Oba experimentátoři zkoumali od roku 1911, jaká energie je potřebná na
uvolnění elektronu z atomu. Důležité byly jejich experimenty z roku 1914,
kdy zkoumali srážky elektronů se rtuťovými parami. Z pokusu bylo zřejmé,
že urychlené elektrony se pružně odrážejí od atomů rtuti, pokud nedosáhnou
určité potřebné energie (4,9 eV), tzv. ionizační energie. N. Bohr měl vůči
této interpretaci námitky a vyslovil myšlenku, že se jedná spíše o přechod
elektronu z jedné stacionární hladiny na druhou. V roce 1919 J. Franck a G.
Hertz tuto Bohrovu interpretaci přijali.
-
- Zásadní změnu v nazírání na povahu elektronu a celkově všech hmotných
částic přinesly práce L. de Broglieho kolem roku 1922. Všiml si, že spíše
než planetu obíhající kolem Slunce připomíná elektron v atomu chování
stojatého vlnění, prostorově omezeného na bezprostřední okolí kladně nabitého
jádra. Je-li vlnění vázáno na určitý omezený prostor, nemůže kmitat s
libovolnými frekvencemi, nýbrž pouze s takovými, jaké jsou určeny tvarem
a rozměry omezujícího prostoru. V atomu je elektron poután k jádru elektrickou
silou a elektronová vlna, která podle de Broglieho elektronu přísluší, je tím
prostorově omezena na bezprostřední okolí jádra. Vzniká stojaté vlnění;
přitom tvar a velikost atomu, v němž je elektron vázán, určuje přípustné
kmitové stavy, v nichž se elektron může nacházet. Tyto přípustné frekvence
vypočetl rakouský fyzik E. Schrôdinger roku 1926. Je-li elektronová vlna v
určitém kmitovém stavu, pak atom nezáří. Pouze při přechodu z vyššího
kmitového stavu do nižšího atom vysílá elektromagnetické záření.
-
- Představou o vlnové povaze elektronu v atomu se podařilo vysvětlit
chování atomů, vlastnosti atomů, jako je jejich značná stabilita vůči
nárazům a zásahům zvenčí a schopnost zachovávat si svou chemickou identitu
a podařilo se také velmi přesně předpovědět charakteristické frekvence
vyzařované atomy.
-
- Podle myšlenky E. Schrôdingera roku 1926 by elektron neměl jednou
provždy definovaný tvar, nýbrž by přijímal takový, jaký mu vymezuje
působící silové pole (v případě atomu je jím elektrické pole kladně
nabitého jádra).
-
- Zkoumání elektronových stavů v atomu potvrdilo intuitivní názor,
že při popisu elektronových stavů nevystačíme s představou kulovitého
tělíska, nezavedeme-li současně pojem elektronové vlny. De Broglie postuloval,
že vlnová délka příslušející letícímu elektronu je určena jeho hybností (λ=h/p):
čím je hybnost větší, tím je vlnová délka menší. Tato de Broglieova hypotéza
je v podstatě výrokem o dualistické povaze částic, povaze korpuskulární a
povaze vlnové. Elementární částice se někdy chovají jako částice (korpuskule),
jindy jako vlny; každému druhu částic přísluší vlnění o jiné vlnové délce.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-