Ατομική Δομή Λυμένα Προβλήματα και Λύσεις

Αφού συνδύασαν όλα τα στοιχεία της φυσικής, της χημείας και των μαθηματικών, οι επιστήμονες κατέληξαν σε μια επιστημονική εξήγηση της βασικής μονάδας της ύλης που είναι το άτομο. Η θεωρία ότι όλη η ύλη αποτελείται από άτομα καθώς τα δομικά στοιχεία τους είναι γνωστή ως ατομική θεωρία. Μετά από αυτό διάφοροι επιστήμονες πρότειναν τη δική τους θεωρία για να περιγράψουν επιστημονικά τη δομή ενός ατόμου και τη φύση του. Η ατομική θεωρία πρότεινε επίσης ότι ένα στοιχείο αποτελείται από πανομοιότυπα άτομα και είναι διαφορετικό από τα άτομα άλλων στοιχείων. Τα άτομα, αφού συνδυαστούν με άλλα άτομα σε σταθερή αναλογία, σχηματίζουν μόρια και ενώσεις.

Με τον καιρό, η θεωρία έχει εξελιχθεί και το ίδιο και η δομή του ατόμου. Με κάθε θεωρία, ήρθαν κάποια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και τα προβλήματα λύθηκαν με την εξήγηση της επόμενης θεωρίας που ήρθε. Λίγα σημαντικά παραδείγματα ατομικών δομών και οι σχετικές θεωρίες περιγράφονται στο άρθρο.

Θεωρία ατομισμού

Η θεωρία της ατομικής δομής ήταν αρχικά μια φιλοσοφική έννοια που προτάθηκε στην Ινδία και την Ελλάδα. Ο όρος άτομο προήλθε από τη λέξη «άτομος» που σήμαινε αδιαίρετο. Έτσι, πίστευαν ότι η ύλη αποτελείται από μικρές διακριτές μονάδες που ονομάζονται άτομα.

Προβλήματα

• Ήταν απλώς μια ιδέα και δεν ήταν στην πραγματικότητα μια θεωρία βασισμένη σε επιστημονικά δεδομένα, γι' αυτό και δεν αναγνωρίστηκε από την επιστημονική κοινότητα.

Θεωρία της μπάλας του μπιλιάρδου

Μετά τη διατύπωση του νόμου της σταθερής αναλογίας και του νόμου της διατήρησης της μάζας από τον Pruist και τον Lavoiser αντίστοιχα, ένας Άγγλος χημικός και φυσικός, ο John Dalton πρότεινε την ατομική θεωρία του Dalton και το μοντέλο μπάλας του μπιλιάρδου για τη δομή του ατόμου. Κατασκεύασε πάνω τους για να διατυπώσει το νόμο των πολλαπλών αναλογιών, ο οποίος δηλώνει ότι οι αναλογίες μαζών στοιχείων σε μια ένωση είναι μικροί ακέραιοι αριθμοί. Η θεωρία του βασίστηκε σε πειραματικά δεδομένα και εγκρίθηκε αρχικά.

Προβλήματα

• Ωστόσο, τα προβλήματα με αυτήν τη θεωρία ήταν πολλαπλά, καθώς η ανακάλυψη ισοτόπων, ισοβαρών, αζεοτρόπων κ.λπ., κατέστησε αδύνατη τη θεωρία να είναι καθολική.
• Η δομή του ατόμου όπως προτάθηκε από το μοντέλο της μπάλας του μπιλιάρδου ήταν ότι το άτομο είναι ένα σκληρό, σαν σφαίρα και αδιαίρετο σωματίδιο, το οποίο αργότερα απορρίφθηκε από το πείραμα του J.J Thompson με την ανακάλυψη υποατομικών σωματιδίων.

Μοντέλο πουτίγκας από δαμάσκηνο

Το 1897, ο JJ Thompson ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο πραγματοποιώντας ένα πείραμα σε έναν καθοδικό σωλήνα ακτίνων. Ο Thomson τοποθέτησε δύο αντίθετα φορτισμένες ηλεκτρικές πλάκες γύρω από μια καθοδική ακτίνα για να ελέγξει τις ιδιότητες ενός σωματιδίου. Η επιλογή της καθοδικής ακτίνας από αρνητικά φορτισμένη πλάκα και προς τη θετικά φορτισμένη πλάκα  έδειξε την παρουσία αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων στις καθοδικές ακτίνες.

Στη συνέχεια, πρότεινε ότι ένα άτομο είναι ουδέτερο και το θετικά φορτισμένο άτομο εξισορροπείται από το αρνητικό φορτίο του ηλεκτρονίου. Επιπλέον, ο Thomson πρότεινε ότι τα άτομα θα μπορούσαν να εξηγηθούν ως αρνητικά σωματίδια που επιπλέουν μέσα σε μια μήτρα διάχυτου θετικού φορτίου όπως μια πουτίγκα δαμάσκηνου με ηλεκτρόνια ως ξηρούς καρπούς μέσα.

Πρόβλημα

• Αυτό το μοντέλο απορρίφθηκε αργότερα λόγω της αδυναμίας του να εξηγήσει τη σταθερότητα της δομής ενός ατόμου και απέτυχε να εξηγήσει τα αποτελέσματα του πειράματος του Ράδερφορντ.

Πλανητικό μοντέλο

Σύμφωνα με το μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου, ο Ράδερφορντ προέβλεψε ότι στο πείραμά του, τα περισσότερα από τα σωματίδια α δεν θα περνούσαν κατευθείαν από το φύλλο χρυσού λόγω διάχυτου θετικού φορτίου σε όλη τη δομή του ατόμου. Επομένως, το ηλεκτρικό πεδίο από το θετικό φορτίο δεν θα ήταν σημαντικό για να επηρεάσει τη διαδρομή των ταχέως κινούμενων σωματιδίων α.

Αλλά κατά τη διάρκεια του πειράματος, τα περισσότερα από τα σωματίδια πέρασαν από το άτομο, μόνο ένα μικρό κλάσμα του εκτράπηκε. Αντλώντας από το πείραμά του, ο Ράδερφορντ πρότεινε το πυρηνικό μοντέλο, στο οποίο ένα άτομο αποτελείται από έναν πολύ μικρό, θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιβάλλεται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και το μέγεθος του πυρήνα είναι πολύ μικρό σε σύγκριση με το ατομικό μέγεθος.

Πρόβλημα

• Το πυρηνικό μοντέλο εξήγησε τα πειραματικά αποτελέσματα του Ράδερφορντ, αλλά δημιούργησε άλλα προβλήματα που δεν μπορούν να εξηγηθούν όπως η σταθερότητα της δομής, αυτό που εμποδίζει το ηλεκτρόνιο να πέσει στον πυρήνα, την απορρόφηση και την εκπομπή φασμάτων.

Μοντέλο Bohr

Το 1913, ο Niels Bohr πρότεινε το μοντέλο Bohr που πρότεινε, ένα άτομο περιλαμβάνει έναν μικρό, αναμφίβολα φορτισμένο πυρήνα που περιβάλλεται μέσω ηλεκτρονίων που περιστρέφεται σε στρογγυλές τροχιές λόγω ηλεκτροστατικών δυνάμεων στον πυρήνα. Σύμφωνα με την αρχή του Bohr, μία και η καλύτερη φασματική γραμμή μπορεί να προέρχεται από ένα ηλεκτρόνιο μεταξύ οποιουδήποτε δεδομένου ηλεκτρισμού.

Προβλήματα

• Το μοντέλο του Bohr για ένα άτομο δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει το φαινόμενο Zeeman, το οποίο είναι η επίδραση που έχει το μαγνητικό πεδίο στα φάσματα των ατόμων.
• Δεν μπορούσε επίσης να εξηγήσει το φαινόμενο Stark που είναι η επίδραση που έχει το ηλεκτρικό πεδίο στα φάσματα των ατόμων.
• Παραβιάζει την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg καθώς ο Bohr υπέθεσε ότι ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο τοποθετείται σε μια συγκεκριμένη αποκόλληση από τον πυρήνα και περιστρέφεται σφαιρικά με μια συγκεκριμένη ταχύτητα.
• Η εκδοχή ενός ατόμου του Bohr δεν μπορούσε να εξηγήσει το ευρύ φάσμα των ατόμων που περιέχουν πολλά ηλεκτρόνια, γνωστά ως άτομα πολλών ηλεκτρονίων. Η αρχή του Bohr δεν έλαβε υπόψη την επίδραση της μαγνητικής πειθαρχίας στα φάσματα των ατόμων ή των ιόντων.

Κβαντική Θεωρία της Δομής του Ατόμου

Μετά τη θεωρία που έδωσε ο Bohr, αρκετές ανακαλύψεις οδήγησαν στην κατανόηση των ατόμων. Για παράδειγμα, ο Federick Soddy περιέγραψε τα ισότοπα, την ανακάλυψη των νετρονίων. Μετά από αυτό, προτάθηκε η κυματική θεωρία του Louis de Broglie για τα σωματίδια, την οποία περιέγραψε ο Erwin Schrödinger χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Schrödinger. Αυτό οδήγησε στην πρόταση της αρχής της αβεβαιότητας του Werner Heisenberg.

Όλα αυτά αποτέλεσαν το θεμέλιο λίθο για την κβαντική μηχανική που βασίζεται στην ατομική θεωρία στην οποία υπάρχουν υποατομικά σωματίδια. Το ηλεκτρόνιο μπορεί ενδεχομένως να βρεθεί οπουδήποτε σε ένα άτομο, αλλά η μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί είναι σε ατομικό τροχιακό ή ενεργειακό επίπεδο. Στη σύγχρονη ατομική θεωρία, τα τροχιακά μπορεί να είναι σφαιρικά, σε σχήμα αλτήρα κ.λπ. Για άτομα με μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων, τα σχετικιστικά φαινόμενα παίζουν σημαντικό ρόλο καθώς τα σωματίδια κινούνται με μεγάλη ταχύτητα.

Επί του παρόντος, αυτή η θεωρία είναι ευρέως αποδεκτή από τις επιστημονικές κοινότητες σε όλο τον κόσμο.

Συμπέρασμα

Αν και η κατανόησή μας για το σωματίδιο ξεκίνησε με ένα άτομο που ήταν ένα αδιαίρετο δομικό στοιχείο για ένα στοιχείο, αλλά σταδιακά, με τις επιστημονικές εξελίξεις και την ανακάλυψη διαφόρων άλλων συστατικών ενός ατόμου που είναι γνωστά ως υποατομικά σωματίδια, οι θεωρίες μας εξελίχθηκαν. Τα υποατομικά σωματίδια, δηλαδή το πρωτόνιο, το νετρόνιο και το ηλεκτρόνιο αποτελούν τώρα τις βάσεις για τις νεότερες θεωρίες και μοντέλα για την περιγραφή της δομής ενός ατόμου. Μερικά παραδείγματα της ατομικής δομής περιλαμβάνουν το πρώτο μοντέλο μπάλας μπιλιάρδου από τον Dalton, το μοντέλο της πουτίγκας από δαμάσκηνο του JJ Thompson, το πυρηνικό μοντέλο του Rutherford και τώρα το κβαντικό μοντέλο.