Struktura atomu byla po dlouhou dobu mezi fyziky diskutabilním tématem, dokud se neobjevil model vytvořený dánským vědcem Nielsem Bohrem. Nebyl první, kdo se pokusil popsat pohyb subatomárních částic, ale byl to jeho vývoj, který umožnil vytvořit konzistentní teorii se schopností předpovídat polohu elementární částice v té či oné době.
Životní cesta
Niels Bohr se narodil 7. října 1885 v Kodani a zemřel tam 18. listopadu 1962. Je považován za jednoho z největších fyziků a není divu: byl to právě on, kdo dokázal postavit konzistentní model atomů podobných vodíku. Podle legendy viděl ve snu, jak se něco jako planety točí kolem určitého světelného vzácného středu. Tento systém se poté drasticky zmenšil na mikroskopickou velikost.
Od té doby Bohr usilovně hledal způsob, jak převést sen do vzorců a tabulek. Pečlivým studiem moderní literatury o fyzice, experimentováním v laboratoři a myšlením se mu podařilo dosáhnout svéhocíle. Ani vrozený ostych mu nezabránil ve zveřejnění výsledků: styděl se mluvit před velkým publikem, začal být zmatený a publikum z vědcových vysvětlení nic nepochopilo.
Prekurzory
Před Bohrem se vědci snažili vytvořit model atomu na základě postulátů klasické fyziky. Nejúspěšnější pokus patřil Ernestu Rutherfordovi. V důsledku četných experimentů dospěl k závěru o existenci masivního atomového jádra, kolem kterého se po drahách pohybují elektrony. Vzhledem k tomu, že graficky byl takový model podobný struktuře sluneční soustavy, byl za ním posílen název planetárního.
Mělo to ale významnou nevýhodu: atom odpovídající Rutherfordovým rovnicím se ukázal být nestabilní. Dříve nebo později musely elektrony pohybující se se zrychlením na oběžných drahách kolem jádra dopadat na jádro a jejich energie by byla vynaložena na elektromagnetické záření. Pro Bohra se Rutherfordův model stal výchozím bodem při budování vlastní teorie.
Bohrův první postulát
Bohrovou hlavní inovací bylo odmítnutí použití klasické newtonovské fyziky při konstrukci teorie atomu. Po studiu dat získaných v laboratoři došel k závěru, že tak důležitý zákon elektrodynamiky, jako je rovnoměrně zrychlený pohyb bez vlnového záření, ve světě elementárních částic nefunguje.
Výsledkem jeho úvah byl zákon, který zní takto: atomový systém je stabilní pouze tehdy, je-li v jednom z možných stacionárních(kvantové) stavy, z nichž každý odpovídá určité energii. Smyslem tohoto zákona, jinak nazývaného postulát kvantových stavů, je rozpoznat nepřítomnost elektromagnetického záření, když je atom v takovém stavu. Důsledkem prvního postulátu je také rozpoznání přítomnosti energetických hladin v atomu.
Pravidlo frekvence
Bylo však zřejmé, že atom nemůže být vždy ve stejném kvantovém stavu, protože stabilita popírá jakoukoli interakci, což znamená, že by v něm nebyl ani vesmír, ani pohyb. Zjevný rozpor vyřešil druhý postulát Bohrova modelu atomové struktury, známý jako frekvenční pravidlo. Atom je schopen se pohybovat z jednoho kvantového stavu do druhého s odpovídající změnou energie, přičemž emituje nebo absorbuje kvantum, jehož energie se rovná rozdílu energií stacionárních stavů.
Druhý postulát rovněž odporuje klasické elektrodynamice. Podle Maxwellovy teorie nemůže povaha pohybu elektronu ovlivnit frekvenci jeho záření.
Spektrum atomu
Bohrův kvantový model byl umožněn pečlivým studiem spektra atomu. Vědci byli dlouhou dobu v rozpacích, že místo očekávané souvislé barevné oblasti získané studiem spekter nebeských těles byl spektrogram atomu nespojitý. Linie jasných barev nesplývaly jedna do druhé, ale byly odděleny působivými tmavými plochami.
Teorie elektronového přechodu z jednoho kvantového stavu dojiný vysvětlil tuto zvláštnost. Když se elektron přesunul z jedné energetické hladiny do druhé, kde bylo potřeba méně energie, emitoval kvantum, které se projevilo ve spektrogramu. Bohrova teorie okamžitě prokázala schopnost předpovídat další změny ve spektrech jednoduchých atomů, jako je vodík.
Vady
Bohrova teorie se úplně nerozešla s klasickou fyzikou. Stále si zachovala myšlenku orbitálního pohybu elektronů v elektromagnetickém poli jádra. Myšlenka kvantizace během přechodu z jednoho stacionárního stavu do druhého úspěšně doplnila planetární model, ale stále nevyřešila všechny rozpory.
Ačkoli ve světle Bohrova modelu nemohl elektron přejít do spirálového pohybu a spadnout do jádra a nepřetržitě vyzařovat energii, zůstalo nejasné, proč nemohl postupně stoupat na vyšší energetické hladiny. V tomto případě by všechny elektrony dříve nebo později skončily ve stavu s nejnižší energií, což by vedlo ke zničení atomu. Dalším problémem byly anomálie v atomových spektrech, které teorie nevysvětlila. V roce 1896 provedl Peter Zeeman zvláštní experiment. Umístil atomový plyn do magnetického pole a pořídil spektrogram. Ukázalo se, že některé spektrální čáry se rozdělily na několik. Takový účinek nebyl v Bohrově teorii vysvětlen.
Sestavení modelu atomu vodíku podle Bohra
Přes všechny nedostatky své teorie dokázal Niels Bohr sestavit realistický model atomu vodíku. Přitom použil frekvenční pravidlo a zákony klasikymechanika. Bohrovy výpočty k určení možných poloměrů elektronových drah a výpočtu energie kvantových stavů se ukázaly jako poměrně přesné a byly experimentálně potvrzeny. Frekvence emise a absorpce elektromagnetických vln odpovídaly umístění tmavých mezer na spektrogramech.
Na příkladu atomu vodíku bylo tedy prokázáno, že každý atom je kvantový systém s diskrétními energetickými hladinami. Kromě toho se vědci podařilo najít způsob, jak spojit klasickou fyziku a jeho postuláty pomocí principu korespondence. Uvádí, že kvantová mechanika zahrnuje zákony newtonovské fyziky. Za určitých podmínek (například pokud bylo kvantové číslo dostatečně velké) dochází ke sbližování kvantové a klasické mechaniky. To bylo prokázáno skutečností, že s nárůstem kvantového čísla se délka tmavých mezer ve spektru zmenšovala až do úplného vymizení, jak se očekávalo ve světle newtonských konceptů.
Význam
Zavedení principu korespondence se stalo důležitým mezikrokem k uznání existence speciální kvantové mechaniky. Bohrův model atomu se stal pro mnohé východiskem při konstruování přesnějších teorií pohybu subatomárních částic. Niels Bohr nebyl schopen najít přesnou fyzikální interpretaci kvantizačního pravidla, ale ani to nedokázal, protože vlnové vlastnosti elementárních částic byly objeveny až v průběhu času. Louis de Broglie, doplňující Bohrovu teorii o nové objevy, dokázal, že každá oběžná dráha podlekterým se elektron pohybuje, je vlna šířící se od jádra. Z tohoto hlediska se stacionární stav atomu začal považovat za takový, že se tvoří v případě, kdy se vlna po úplné rotaci kolem jádra opakuje.
