Durant molt de temps, l'estructura de l'àtom va ser un tema discutible entre els físics, fins que va aparèixer un model creat pel científic danès Niels Bohr. No va ser el primer que va intentar descriure el moviment de les partícules subatòmiques, però van ser els seus desenvolupaments els que van permetre crear una teoria coherent amb la capacitat de predir la ubicació d'una partícula elemental en un moment o altre..
Camí vital
Niels Bohr va néixer el 7 d'octubre de 1885 a Copenhaguen i hi va morir el 18 de novembre de 1962. Es considera un dels més grans físics, i no és estrany: va ser ell qui va aconseguir construir un model consistent d'àtoms semblants a l'hidrogen. Segons la llegenda, va veure en un somni com una cosa semblant als planetes girava al voltant d'un cert centre lluminós enrarit. Aleshores, aquest sistema es va reduir dràsticament a una mida microscòpica.
Des d'aleshores, Bohr ha estat buscant molt la manera de traduir el somni en fórmules i taules. Estudiant acuradament la literatura moderna sobre física, experimentant al laboratori i pensant, va poder assolir el seumetes. Fins i tot la timidesa congènita no li va impedir publicar els resultats: li feia vergonya parlar davant d'un gran públic, es va començar a confondre i el públic no va entendre res de les explicacions del científic.
Precursors
Abans de Bohr, els científics van intentar crear un model de l'àtom basat en els postulats de la física clàssica. L'intent més reeixit va pertànyer a Ernest Rutherford. Com a resultat de nombrosos experiments, va arribar a la conclusió sobre l'existència d'un nucli atòmic massiu, al voltant del qual els electrons es mouen en òrbites. Com que gràficament aquest model era similar a l'estructura del sistema solar, el nom del planetari es va reforçar darrere d'ell.
Però tenia un inconvenient important: l'àtom corresponent a les equacions de Rutherford va resultar inestable. Tard o d'hora, els electrons, movent-se amb acceleració en òrbites al voltant del nucli, havien de caure sobre el nucli, i la seva energia es gastaria en radiació electromagnètica. Per a Bohr, el model de Rutherford es va convertir en el punt de partida per construir la seva pròpia teoria.
Primer postulat de Bohr
La principal innovació de Bohr va ser el rebuig de l'ús de la física newtoniana clàssica en la construcció de la teoria de l'àtom. Després d'estudiar les dades obtingudes al laboratori, va arribar a la conclusió que una llei tan important de l'electrodinàmica com el moviment uniformement accelerat sense radiació ondulatòria no funciona en el món de les partícules elementals.
El resultat de les seves reflexions va ser una llei que sona així: un sistema atòmic només és estable si es troba en un dels possibles estacionaris.estats (quàntics), cadascun dels quals correspon a una determinada energia. El significat d'aquesta llei, també anomenada postulat dels estats quàntics, és reconèixer l'absència de radiació electromagnètica quan un àtom es troba en aquest estat. A més, una conseqüència del primer postulat és el reconeixement de la presència de nivells d'energia a l'àtom.
Regla de freqüència
No obstant això, era obvi que un àtom no pot estar sempre en el mateix estat quàntic, ja que l'estabilitat nega qualsevol interacció, la qual cosa significa que no hi hauria ni l'Univers ni el moviment. L'aparent contradicció es va resoldre amb el segon postulat del model d'estructura atòmica de Bohr, conegut com la regla de la freqüència. Un àtom és capaç de passar d'un estat quàntic a un altre amb un canvi d'energia corresponent, emetent o absorbint un quàntic, l'energia del qual és igual a la diferència entre les energies dels estats estacionaris.
El segon postulat també contradiu l'electrodinàmica clàssica. Segons la teoria de Maxwell, la naturalesa del moviment d'un electró no pot afectar la freqüència de la seva radiació.
Espectre d'àtoms
El model quàntic de Bohr va ser possible gràcies a un estudi acurat de l'espectre de l'àtom. Durant molt de temps, els científics es van veure avergonyits que en comptes de la regió de color contínua esperada obtinguda estudiant els espectres dels cossos celestes, l'espectrograma de l'àtom fos discontinu. Les línies de color brillant no fluïen entre si, sinó que estaven separades per zones fosques impressionants.
Teoria de la transició electrònica d'un estat quàntic aun altre explicava aquesta raresa. Quan un electró es movia d'un nivell d'energia a un altre, on se'n necessitava menys energia, emetia un quàntic, que es reflectia a l'espectrograma. La teoria de Bohr va demostrar immediatament la capacitat de predir més canvis en l'espectre d'àtoms simples com l'hidrogen.
Defectes
La teoria de Bohr no va trencar completament amb la física clàssica. Encara conservava la idea del moviment orbital dels electrons al camp electromagnètic del nucli. La idea de la quantificació durant la transició d'un estat estacionari a un altre va complementar amb èxit el model planetari, però encara no va resoldre totes les contradiccions.
Tot i que a la llum del model de Bohr, l'electró no podia entrar en moviment en espiral i caure al nucli, irradiant energia contínuament, no quedava clar per què no podia augmentar successivament a nivells d'energia més alts. En aquest cas, tots els electrons, tard o d'hora, acabarien en l'estat d'energia més baixa, la qual cosa portaria a la destrucció de l'àtom. Un altre problema eren les anomalies en l'espectre atòmic que la teoria no explicava. L'any 1896, Peter Zeeman va realitzar un curiós experiment. Va col·locar un gas atòmic en un camp magnètic i va fer un espectrograma. Va resultar que algunes línies espectrals es divideixen en diverses. Aquest efecte no s'explicava a la teoria de Bohr.
Construir un model de l'àtom d'hidrogen segons Bohr
Malgrat totes les deficiències de la seva teoria, Niels Bohr va ser capaç de construir un model realista de l'àtom d'hidrogen. Per fer-ho, va utilitzar la regla de la freqüència i les lleis del clàssicmecànica. Els càlculs de Bohr per determinar els possibles radis de les òrbites d'electrons i calcular l'energia dels estats quàntics van resultar bastant precisos i es van confirmar experimentalment. Les freqüències d'emissió i absorció d'ones electromagnètiques corresponen a la ubicació dels buits foscos als espectrogrames.
Així, utilitzant l'exemple de l'àtom d'hidrogen, es va demostrar que cada àtom és un sistema quàntic amb nivells d'energia discrets. A més, el científic va poder trobar una manera de combinar la física clàssica i els seus postulats mitjançant el principi de correspondència. Afirma que la mecànica quàntica inclou les lleis de la física newtoniana. En determinades condicions (per exemple, si el nombre quàntic era prou gran), la mecànica quàntica i la clàssica convergeixen. Això va ser demostrat pel fet que amb un augment del nombre quàntic, la longitud dels buits foscos de l'espectre va disminuir fins a la completa desaparició, com s'esperava a la llum dels conceptes newtonians.
Significat
La introducció del principi de correspondència s'ha convertit en un important pas intermedi cap al reconeixement de l'existència de la mecànica quàntica especial. El model de l'àtom de Bohr s'ha convertit per a molts en un punt de partida per construir teories més precises sobre el moviment de les partícules subatòmiques. Niels Bohr no va poder trobar una interpretació física exacta de la regla de quantificació, però tampoc va poder fer-ho, ja que les propietats ondulatòries de les partícules elementals només es van descobrir amb el temps. Louis de Broglie, complementant la teoria de Bohr amb nous descobriments, va demostrar que cada òrbita, segonsque es mou l'electró és una ona que es propaga des del nucli. Des d'aquest punt de vista, es va començar a considerar l'estat estacionari de l'àtom tal que es forma en el cas que l'ona, havent fet una revolució completa al voltant del nucli, es repeteix.
