დიდი ხნის განმავლობაში, ატომის სტრუქტურა სადავო თემა იყო ფიზიკოსებს შორის, სანამ დანიელი მეცნიერის ნილს ბორის მიერ შექმნილი მოდელი არ გამოჩნდა. ის არ იყო პირველი, ვინც ცდილობდა აღეწერა სუბატომური ნაწილაკების მოძრაობა, მაგრამ სწორედ მისმა განვითარებამ შესაძლებელი გახადა შეექმნა თანმიმდევრული თეორია ელემენტარული ნაწილაკების ადგილმდებარეობის წინასწარმეტყველების უნარით ამა თუ იმ დროს.
სიცოცხლის გზა
ნილს ბორი დაიბადა 1885 წლის 7 ოქტომბერს კოპენჰაგენში და გარდაიცვალა იქ 1962 წლის 18 ნოემბერს. იგი ითვლება ერთ-ერთ უდიდეს ფიზიკოსად და გასაკვირი არ არის: სწორედ მან შეძლო წყალბადის მსგავსი ატომების თანმიმდევრული მოდელის აგება. ლეგენდის თანახმად, მან სიზმარში დაინახა, თუ როგორ ბრუნავს რაღაც პლანეტების მსგავსი გარკვეული მანათობელი იშვიათი ცენტრის გარშემო. შემდეგ ეს სისტემა მკვეთრად შემცირდა მიკროსკოპულ ზომამდე.
მას შემდეგ, ბორი მტკიცედ ეძებს გზას, რომ ოცნება ფორმულებად და ცხრილებად გადაეთარგმნა. ფიზიკის თანამედროვე ლიტერატურის გულდასმით შესწავლით, ლაბორატორიული ექსპერიმენტებითა და აზროვნებით, მან შეძლო მიეღწიამიზნები. თანდაყოლილმა მორცხვობამაც კი ხელი არ შეუშალა მას შედეგების გამოქვეყნებაში: მას უხერხული იყო ლაპარაკი დიდი აუდიტორიის წინაშე, დაიწყო დაბნეულობა და აუდიტორიას არაფერი ესმოდა მეცნიერის ახსნა-განმარტებიდან..
წინამორბედები
ბორამდე მეცნიერები ცდილობდნენ შეექმნათ ატომის მოდელი კლასიკური ფიზიკის პოსტულატებზე დაყრდნობით. ყველაზე წარმატებული მცდელობა ეკუთვნოდა ერნესტ რეზერფორდს. მრავალი ექსპერიმენტის შედეგად მივიდა დასკვნამდე მასიური ატომის ბირთვის არსებობის შესახებ, რომლის ირგვლივ ელექტრონები მოძრაობენ ორბიტებში. ვინაიდან ასეთი მოდელი გრაფიკულად მზის სისტემის სტრუქტურის მსგავსი იყო, მის უკან პლანეტარულის სახელიც გამყარდა.
მაგრამ მას მნიშვნელოვანი ნაკლი ჰქონდა: რეზერფორდის განტოლებების შესაბამისი ატომი არასტაბილური აღმოჩნდა. ადრე თუ გვიან, ელექტრონები, რომლებიც მოძრაობდნენ აჩქარებით ბირთვის გარშემო ორბიტებში, უნდა დაეცეს ბირთვს და მათი ენერგია დაიხარჯებოდა ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებაზე. ბორისთვის რეზერფორდის მოდელი გახდა საწყისი წერტილი საკუთარი თეორიის აგებისას.
ბორის პირველი პოსტულატი
ბორის მთავარი ინოვაცია იყო უარი თქვა კლასიკური ნიუტონის ფიზიკის გამოყენებაზე ატომის თეორიის მშენებლობაში. ლაბორატორიაში მიღებული მონაცემების შესწავლის შემდეგ, ის მივიდა დასკვნამდე, რომ ელექტროდინამიკის ისეთი მნიშვნელოვანი კანონი, როგორიცაა თანაბრად აჩქარებული მოძრაობა ტალღის გამოსხივების გარეშე, არ მუშაობს ელემენტარული ნაწილაკების სამყაროში.
მისი ასახვის შედეგი იყო კანონი, რომელიც ასე ჟღერს: ატომური სისტემა სტაბილურია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ის ერთ-ერთ შესაძლო სტაციონალურ მდგომარეობაშია.(კვანტური) მდგომარეობები, რომელთაგან თითოეული შეესაბამება გარკვეულ ენერგიას. ამ კანონის მნიშვნელობა, რომელსაც სხვაგვარად უწოდებენ კვანტური მდგომარეობების პოსტულატს, არის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების არარსებობის აღიარება, როდესაც ატომი ასეთ მდგომარეობაშია. ასევე, პირველი პოსტულატის შედეგია ატომში ენერგიის დონის არსებობის აღიარება.
სიხშირის წესი
თუმცა, აშკარა იყო, რომ ატომი ყოველთვის არ შეიძლება იყოს ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობაში, რადგან სტაბილურობა უარყოფს ყოველგვარ ურთიერთქმედებას, რაც ნიშნავს, რომ მასში არც სამყარო იქნებოდა და არც მოძრაობა. აშკარა წინააღმდეგობა მოგვარდა ბორის ატომური სტრუქტურის მოდელის მეორე პოსტულატით, რომელიც ცნობილია როგორც სიხშირის წესი. ატომს შეუძლია გადავიდეს ერთი კვანტური მდგომარეობიდან მეორეში ენერგიის შესაბამისი ცვლილებით, ასხივებს ან შთანთქავს კვანტს, რომლის ენერგია უდრის სტაციონარული მდგომარეობების ენერგიებს შორის სხვაობას..
მეორე პოსტულატი ასევე ეწინააღმდეგება კლასიკურ ელექტროდინამიკას. მაქსველის თეორიის თანახმად, ელექტრონის მოძრაობის ბუნება არ შეიძლება გავლენა იქონიოს მისი გამოსხივების სიხშირეზე.
ატომის სპექტრი
ბორის კვანტური მოდელი შესაძლებელი გახდა ატომის სპექტრის ფრთხილად შესწავლის შედეგად. დიდი ხნის განმავლობაში მეცნიერებს რცხვენოდათ, რომ ციური სხეულების სპექტრების შესწავლით მიღებული მოსალოდნელი უწყვეტი ფერის რეგიონის ნაცვლად, ატომის სპექტროგრამა იყო შეწყვეტილი. ნათელი ფერის ხაზები ერთმანეთში არ მიედინება, მაგრამ შთამბეჭდავი მუქი უბნებით იყო გამოყოფილი.
ელექტრონების გადასვლის თეორია ერთი კვანტური მდგომარეობიდანსხვამ ახსნა ეს უცნაურობა. როდესაც ელექტრონი გადადიოდა ერთი ენერგეტიკული დონიდან მეორეზე, სადაც ნაკლები ენერგია იყო საჭირო, ის ასხივებდა კვანტს, რომელიც აისახებოდა სპექტროგრამაში. ბორის თეორიამ მაშინვე აჩვენა უნარი იწინასწარმეტყველა შემდგომი ცვლილებები უბრალო ატომების სპექტრებში, როგორიცაა წყალბადი.
ხარვეზები
ბორის თეორია მთლიანად არ დაარღვია კლასიკურ ფიზიკას. მან ჯერ კიდევ შეინარჩუნა ელექტრონების ორბიტალური მოძრაობის იდეა ბირთვის ელექტრომაგნიტურ ველში. კვანტიზაციის იდეა ერთი სტაციონარული მდგომარეობიდან მეორეზე გადასვლისას წარმატებით ავსებდა პლანეტარული მოდელს, მაგრამ მაინც ვერ გადაჭრა ყველა წინააღმდეგობა.
მიუხედავად იმისა, რომ ბორის მოდელის ფონზე, ელექტრონი ვერ შედიოდა სპირალურ მოძრაობაში და ჩავარდნილი ბირთვში, განუწყვეტლივ ასხივებდა ენერგიას, გაურკვეველი რჩებოდა, რატომ არ შეეძლო თანმიმდევრულად ავიდა უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე. ამ შემთხვევაში ყველა ელექტრონი ადრე თუ გვიან აღმოჩნდებოდა ყველაზე დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში, რაც გამოიწვევს ატომის განადგურებას. კიდევ ერთი პრობლემა იყო ატომური სპექტრის ანომალიები, რომლებსაც თეორია არ ხსნიდა. ჯერ კიდევ 1896 წელს პიტერ ზემანმა ჩაატარა საინტერესო ექსპერიმენტი. მან მოათავსა ატომური გაზი მაგნიტურ ველში და აიღო სპექტროგრამა. აღმოჩნდა, რომ ზოგიერთი სპექტრული ხაზი რამდენიმე ნაწილად იყოფა. ასეთი ეფექტი არ იყო ახსნილი ბორის თეორიაში.
წყალბადის ატომის მოდელის აგება ბორის მიხედვით
მისი თეორიის ყველა ნაკლოვანების მიუხედავად, ნილს ბორმა შეძლო წყალბადის ატომის რეალისტური მოდელის აგება. ამაში მან გამოიყენა სიხშირის წესი და კლასიკური კანონებიმექანიკა. ბორის გამოთვლები ელექტრონის ორბიტების შესაძლო რადიუსების დასადგენად და კვანტური მდგომარეობების ენერგიის გამოსათვლელად საკმაოდ ზუსტი აღმოჩნდა და ექსპერიმენტულად დადასტურდა. ელექტრომაგნიტური ტალღების ემისიისა და შთანთქმის სიხშირე შეესაბამებოდა სპექტროგრამებზე ბნელი ხარვეზების მდებარეობას.
ამგვარად, წყალბადის ატომის მაგალითის გამოყენებით, დადასტურდა, რომ თითოეული ატომი არის კვანტური სისტემა დისკრეტული ენერგიის დონეებით. გარდა ამისა, მეცნიერმა შეძლო კლასიკური ფიზიკისა და მისი პოსტულატების გაერთიანების გზა მიმოწერის პრინციპის გამოყენებით. მასში ნათქვამია, რომ კვანტური მექანიკა მოიცავს ნიუტონის ფიზიკის კანონებს. გარკვეულ პირობებში (მაგალითად, თუ კვანტური რიცხვი საკმარისად დიდი იყო), კვანტური და კლასიკური მექანიკა ერთმანეთს ემთხვევა. ეს დადასტურდა იმით, რომ კვანტური რიცხვის მატებასთან ერთად, სპექტრში ბნელი უფსკრულის სიგრძე მცირდებოდა სრულ გაქრობამდე, როგორც მოსალოდნელი იყო ნიუტონის ცნებების ფონზე..
მნიშვნელობა
კორესპონდენციის პრინციპის დანერგვა გახდა მნიშვნელოვანი შუალედური ნაბიჯი სპეციალური კვანტური მექანიკის არსებობის აღიარებისკენ. ბორის ატომის მოდელი ბევრისთვის გახდა ამოსავალი წერტილი სუბატომური ნაწილაკების მოძრაობის უფრო ზუსტი თეორიების ასაგებად. ნილს ბორმა ვერ იპოვა კვანტიზაციის წესის ზუსტი ფიზიკური ინტერპრეტაცია, მაგრამ მან ეს ვერ შეძლო, რადგან ელემენტარული ნაწილაკების ტალღური თვისებები მხოლოდ დროთა განმავლობაში აღმოაჩინეს. ლუი დე ბროლიმ, შეავსო ბორის თეორია ახალი აღმოჩენებით, დაამტკიცა, რომ ყოველი ორბიტა, შესაბამისადრომელსაც ელექტრონი მოძრაობს არის ბირთვიდან გავრცელებული ტალღა. ამ თვალსაზრისით, ატომის სტაციონარული მდგომარეობა დაიწყო განიხილება ისეთი, რომ იგი იქმნება იმ შემთხვევაში, როდესაც ტალღა, რომელმაც მოახდინა სრული ბრუნი ბირთვის გარშემო, მეორდება.
