برای مدت طولانی، ساختار اتم یک موضوع بحث برانگیز در میان فیزیکدانان بود، تا اینکه مدلی که توسط دانشمند دانمارکی نیلز بور ایجاد شد، ظاهر شد. او اولین کسی نبود که سعی کرد حرکت ذرات زیراتمی را توصیف کند، اما این پیشرفت‌های او بود که امکان ایجاد یک نظریه سازگار با توانایی پیش‌بینی مکان یک ذره بنیادی را در یک زمان فراهم کرد..
مسیر زندگی
نیلز بور در 7 اکتبر 1885 در کپنهاگ به دنیا آمد و در 18 نوامبر 1962 در آنجا درگذشت. او به عنوان یکی از بزرگترین فیزیکدانان شناخته می شود، و جای تعجب نیست: او بود که موفق شد یک مدل ثابت از اتم های هیدروژن مانند بسازد. طبق افسانه، او در خواب دید که چگونه چیزی شبیه سیارات در اطراف یک مرکز نادر درخشان خاص می چرخد. سپس این سیستم به شدت به اندازه میکروسکوپی کوچک شد.
از آن زمان، بور سخت به دنبال راهی برای ترجمه رویا به فرمول ها و جداول بوده است. او با مطالعه دقیق ادبیات مدرن فیزیک، آزمایش در آزمایشگاه و تفکر، توانست بهاهداف حتی کمرویی مادرزادی او را از انتشار نتایج منع نکرد: او از صحبت کردن در مقابل تعداد زیادی از مخاطبان خجالت می‌کشید، شروع به گیج شدن کرد و حضار چیزی از توضیحات دانشمند متوجه نشدند.
پیش سازها
قبل از بور، دانشمندان سعی کردند مدلی از اتم را بر اساس فرضیه های فیزیک کلاسیک ایجاد کنند. موفق ترین تلاش متعلق به ارنست رادرفورد بود. در نتیجه آزمایش های متعدد، او در مورد وجود یک هسته اتمی عظیم به این نتیجه رسید که الکترون ها در مدارها حرکت می کنند. از آنجایی که از نظر گرافیکی چنین مدلی شبیه ساختار منظومه شمسی بود، نام سیاره ای در پشت آن تقویت شد.
اما یک اشکال مهم داشت: اتم مربوط به معادلات رادرفورد ناپایدار بود. دیر یا زود، الکترون ها که با شتاب در مدارهای اطراف هسته حرکت می کنند، باید روی هسته می افتند و انرژی آنها صرف تابش الکترومغناطیسی می شود. برای بور، مدل رادرفورد نقطه شروعی برای ساختن نظریه خود شد.
اولین فرض بور
نوآوری اصلی بور رد استفاده از فیزیک کلاسیک نیوتنی در ساخت نظریه اتم بود. پس از مطالعه داده های به دست آمده در آزمایشگاه، او به این نتیجه رسید که چنین قانون مهم الکترودینامیک مانند حرکت شتاب یکنواخت بدون تابش موج در دنیای ذرات بنیادی کار نمی کند.
نتیجه انعکاس او قانونی بود که به نظر می رسد: یک سیستم اتمی فقط در صورتی پایدار است که در یکی از حالت های ساکن ممکن باشد.حالات (کوانتومی) که هر کدام مربوط به انرژی خاصی است. معنای این قانون، که در غیر این صورت اصل حالت های کوانتومی نامیده می شود، تشخیص عدم وجود تشعشعات الکترومغناطیسی زمانی است که یک اتم در چنین حالتی قرار دارد. همچنین، پیامد فرض اول، تشخیص وجود سطوح انرژی در اتم است.
قانون فرکانس
با این حال، بدیهی بود که یک اتم نمی تواند همیشه در یک حالت کوانتومی باشد، زیرا ثبات هر گونه تعامل را رد می کند، به این معنی که نه جهان هستی و نه حرکت در آن وجود خواهد داشت. تضاد ظاهری با فرض دوم مدل ساختار اتمی بور، که به عنوان قانون فرکانس شناخته می شود، حل شد. یک اتم قادر است با تغییر انرژی متناظر از یک حالت کوانتومی به حالت دیگر حرکت کند و کوانتومی را گسیل یا جذب کند که انرژی آن برابر با تفاوت بین انرژی های حالت های ساکن است.
فرض دوم نیز با الکترودینامیک کلاسیک در تضاد است. طبق نظریه ماکسول، ماهیت حرکت الکترون نمی تواند بر فرکانس تابش آن تأثیر بگذارد.
طیف اتمی
مدل کوانتومی بور با مطالعه دقیق طیف اتم ممکن شد. برای مدت طولانی، دانشمندان خجالت می‌کشیدند که به جای ناحیه رنگی پیوسته مورد انتظار که با مطالعه طیف اجرام سماوی به دست می‌آمد، طیف‌نگار اتم ناپیوسته بود. خطوط رنگ روشن به یکدیگر سرازیر نشدند، اما با مناطق تاریک چشمگیر از هم جدا شدند.
نظریه انتقال الکترون از یک حالت کوانتومی بهدیگری این عجیب و غریب را توضیح داد. هنگامی که یک الکترون از یک سطح انرژی به سطح دیگر حرکت می کند، جایی که انرژی کمتری از آن لازم است، یک کوانتوم ساطع می کند که در طیف نگار منعکس می شود. نظریه بور بلافاصله توانایی پیش بینی تغییرات بیشتر در طیف اتم های ساده مانند هیدروژن را نشان داد.
عیوب
نظریه بور به طور کامل با فیزیک کلاسیک شکسته نشد. او هنوز ایده حرکت مداری الکترون ها در میدان الکترومغناطیسی هسته را حفظ کرده بود. ایده کوانتیزاسیون در طول انتقال از یک حالت ساکن به حالت دیگر با موفقیت مدل سیاره ای را تکمیل کرد، اما هنوز همه تضادها را حل نکرد.
اگرچه در پرتو مدل بور، الکترون نمی‌توانست وارد یک حرکت مارپیچی شود و به درون هسته بیفتد و پیوسته انرژی تابش کند، هنوز مشخص نیست که چرا نمی‌تواند پی در پی به سطوح انرژی بالاتر برود. در این حالت، همه الکترون‌ها دیر یا زود به پایین‌ترین حالت انرژی می‌رسند که منجر به نابودی اتم می‌شود. مشکل دیگر ناهنجاری در طیف های اتمی بود که نظریه توضیح نداد. در سال 1896، پیتر زیمن آزمایشی عجیب انجام داد. او یک گاز اتمی را در میدان مغناطیسی قرار داد و یک طیف نگار گرفت. مشخص شد که برخی از خطوط طیفی به چندین خط تقسیم می شوند. چنین تأثیری در نظریه بور توضیح داده نشده است.
ساخت مدلی از اتم هیدروژن بر اساس بور
علی رغم تمام کاستی های نظریه اش، نیلز بور توانست یک مدل واقعی از اتم هیدروژن بسازد. او در این کار از قانون فرکانس و قوانین کلاسیک استفاده کردمکانیک محاسبات بور برای تعیین شعاع احتمالی مدارهای الکترون و محاسبه انرژی حالات کوانتومی کاملاً دقیق بود و به طور تجربی تأیید شد. فرکانس‌های گسیل و جذب امواج الکترومغناطیسی با محل شکاف‌های تاریک در طیف‌نگارها مطابقت دارد.
بنابراین، با استفاده از مثال اتم هیدروژن، ثابت شد که هر اتم یک سیستم کوانتومی با سطوح انرژی گسسته است. علاوه بر این، دانشمند توانست با استفاده از اصل مطابقت راهی برای ترکیب فیزیک کلاسیک و فرضیات خود بیابد. بیان می کند که مکانیک کوانتومی شامل قوانین فیزیک نیوتنی است. تحت شرایط خاص (مثلاً اگر عدد کوانتومی به اندازه کافی بزرگ بود)، مکانیک کوانتومی و کلاسیک همگرا می شوند. این با این واقعیت ثابت شد که با افزایش عدد کوانتومی، طول شکاف‌های تاریک در طیف تا ناپدید شدن کامل کاهش می‌یابد، همانطور که در پرتو مفاهیم نیوتنی انتظار می‌رفت.
معنا
معرفی اصل مطابقت به یک گام میانی مهم در جهت شناخت وجود مکانیک کوانتومی ویژه تبدیل شده است. مدل بور از اتم برای بسیاری به نقطه شروعی در ساختن نظریه های دقیق تر در مورد حرکت ذرات زیراتمی تبدیل شده است. نیلز بور نتوانست تفسیر فیزیکی دقیقی از قانون کوانتیزاسیون بیابد، اما او نیز نتوانست این کار را انجام دهد، زیرا خواص موجی ذرات بنیادی تنها در طول زمان کشف شد. لویی دو بروگلی، با تکمیل نظریه بور با اکتشافات جدید، ثابت کرد که هر مدار، با توجه بهکه الکترون حرکت می کند موجی است که از هسته منتشر می شود. از این منظر، حالت ساکن اتم به گونه ای در نظر گرفته می شود که در صورتی تشکیل می شود که موج با یک چرخش کامل در اطراف هسته تکرار شود.
