במשך זמן רב, מבנה האטום היה נושא שנוי במחלוקת בין פיזיקאים, עד שהופיע מודל שנוצר על ידי המדען הדני נילס בוהר. הוא לא היה הראשון שניסה לתאר את תנועתם של חלקיקים תת-אטומיים, אך הפיתוחים שלו הם שאפשרו ליצור תיאוריה עקבית עם יכולת לחזות את מיקומו של חלקיק יסודי בזמן זה או אחר.
נתיב החיים
נילס בוהר נולד ב-7 באוקטובר 1885 בקופנהגן ומת שם ב-18 בנובמבר 1962. הוא נחשב לאחד מגדולי הפיזיקאים, ואין פלא: הוא זה שהצליח לבנות מודל עקבי של אטומים דמויי מימן. על פי האגדה, הוא ראה בחלום איך משהו כמו כוכבי לכת מסתובב סביב מרכז נדיר ומואר מסוים. מערכת זו אז התכווצה באופן דרסטי לגודל מיקרוסקופי.
מאז בוהר חיפש רבות אחר דרך לתרגם את החלום לנוסחאות ולטבלאות. על ידי לימוד קפדני של הספרות המודרנית על פיזיקה, ניסויים במעבדה וחשיבה, הוא הצליח להשיג את שלומטרות. אפילו ביישנות מולדת לא מנעה ממנו לפרסם את התוצאות: הוא התבייש לדבר בפני קהל גדול, הוא התחיל להתבלבל, והקהל לא הבין דבר מההסברים של המדען.
קודמים
לפני בוהר, מדענים ניסו ליצור מודל של האטום המבוסס על ההנחות של הפיזיקה הקלאסית. הניסיון המוצלח ביותר היה שייך לארנסט רתרפורד. כתוצאה מניסויים רבים, הוא הגיע למסקנה על קיומו של גרעין אטום מסיבי, שסביבו נעים אלקטרונים במסלולים. כיוון שמבחינה גרפית מודל כזה היה דומה למבנה מערכת השמש, שמו של הפלנטרי התחזק מאחוריו.
אבל היה לו חסרון משמעותי: האטום התואם למשוואות רתרפורד התברר כלא יציב. במוקדם או במאוחר, האלקטרונים, הנעים בתאוצה במסלולים סביב הגרעין, נאלצו ליפול על הגרעין, והאנרגיה שלהם תבזבז על קרינה אלקטרומגנטית. עבור בוהר, מודל רתרפורד הפך לנקודת המוצא בבניית התיאוריה שלו.
ההנחה הראשונה של בוהר
החידוש העיקרי של בוהר היה דחיית השימוש בפיזיקה ניוטונית קלאסית בבניית תורת האטום. לאחר שלמד את הנתונים שהתקבלו במעבדה, הוא הגיע למסקנה שחוק כה חשוב של אלקטרודינמיקה כמו תנועה מואצת אחידה ללא קרינת גלים אינו פועל בעולם החלקיקים האלמנטריים.
תוצאת ההשתקפויות שלו הייתה חוק שנשמע כך: מערכת אטומית יציבה רק אם היא נמצאת באחד הנייחים האפשרייםמצבים (קוונטיים), שכל אחד מהם מתאים לאנרגיה מסוימת. המשמעות של חוק זה, המכונה אחרת העמדה של מצבים קוונטיים, היא להכיר בהיעדר קרינה אלקטרומגנטית כאשר אטום נמצא במצב כזה. כמו כן, תוצאה של ההנחה הראשונה היא ההכרה בנוכחות של רמות אנרגיה באטום.
כלל תדירות
עם זאת, היה ברור שאטום לא תמיד יכול להיות באותו מצב קוונטי, מכיוון שהיציבות שוללת כל אינטראקציה, מה שאומר שלא יהיו בו לא היקום ולא תנועה. הסתירה לכאורה נפתרה על ידי ההנחה השנייה של מודל המבנה האטומי של בוהר, המכונה כלל התדר. אטום מסוגל לנוע ממצב קוונטי אחד למשנהו בשינוי תואם באנרגיה, פולט או סופג קוונטי, שהאנרגיה שלו שווה להפרש בין האנרגיות של המצבים הנייחים.
ההנחה השנייה גם סותרת את האלקטרודינמיקה הקלאסית. לפי התיאוריה של מקסוול, אופי התנועה של האלקטרון אינו יכול להשפיע על תדירות הקרינה שלו.
ספקטרום האטום
המודל הקוונטי של בוהר התאפשר על ידי מחקר מדוקדק של הספקטרום של האטום. במשך זמן רב, מדענים היו נבוכים מכך שבמקום אזור הצבע הרציף הצפוי שהושג על ידי חקר הספקטרום של גרמי השמיים, הספקטרוגרם של האטום היה בלתי רציף. קווים של צבע עז לא זרמו זה לתוך זה, אלא הופרדו על ידי אזורים כהים מרשימים.
תיאוריה של מעבר אלקטרונים ממצב קוונטי אחד לאחר הסביר את המוזרות הזו. כאשר אלקטרון עבר מרמת אנרגיה אחת לאחרת, שם נדרשה ממנו פחות אנרגיה, הוא פלט קוונטי, אשר משתקף בספקטרוגרם. התיאוריה של בוהר הדגימה מיד את היכולת לחזות שינויים נוספים בספקטרום של אטומים פשוטים כמו מימן.
פגמים
התיאוריה של בוהר לא נשברה לחלוטין עם הפיזיקה הקלאסית. היא עדיין שמרה על הרעיון של תנועת המסלול של אלקטרונים בשדה האלקטרומגנטי של הגרעין. הרעיון של קוונטיזציה במהלך המעבר ממצב נייח אחד למשנהו השלים בהצלחה את המודל הפלנטרי, אך עדיין לא פתר את כל הסתירות.
למרות שלאור המודל של בוהר, האלקטרון לא יכול היה להיכנס לתנועה ספירלית וליפול לתוך הגרעין, תוך הקרנת אנרגיה מתמשכת, לא היה ברור מדוע הוא לא יכול לעלות ברציפות לרמות אנרגיה גבוהות יותר. במקרה זה, כל האלקטרונים יגיעו במוקדם או במאוחר למצב האנרגיה הנמוך ביותר, מה שיוביל להרס האטום. בעיה נוספת הייתה חריגות בספקטרום האטומי שהתיאוריה לא הסבירה. עוד בשנת 1896, פיטר זימן ערך ניסוי מוזר. הוא הניח גז אטומי בשדה מגנטי ולקח ספקטרוגרם. התברר שכמה קווים ספקטרליים התפצלו לכמה. השפעה כזו לא הוסברה בתיאוריה של בוהר.
בניית מודל של אטום המימן לפי Bohr
למרות כל החסרונות של התיאוריה שלו, נילס בוהר הצליח לבנות מודל ריאליסטי של אטום המימן. בכך הוא השתמש בכלל התדר ובחוקי הקלאסימֵכָנִיקָה. החישובים של בוהר לקביעת הרדיוסים האפשריים של מסלולי אלקטרונים וחישוב האנרגיה של מצבים קוונטיים התבררו כמדויקים למדי ואושרו בניסוי. תדרי הפליטה והבליטה של גלים אלקטרומגנטיים תאמו את מיקומם של פערים כהים על הספקטרוגרמות.
לכן, באמצעות הדוגמה של אטום המימן, הוכח שכל אטום הוא מערכת קוונטית עם רמות אנרגיה נפרדות. בנוסף, המדען הצליח למצוא דרך לשלב את הפיזיקה הקלאסית ואת ההנחות שלו באמצעות עקרון ההתכתבות. הוא קובע כי מכניקת הקוונטים כוללת את חוקי הפיזיקה הניוטונית. בתנאים מסוימים (למשל, אם המספר הקוונטי היה גדול מספיק), מכניקת הקוונטים והמכניקה הקלאסית מתכנסים. זה הוכח על ידי העובדה שעם עלייה במספר הקוונטי, אורך הפערים הכהים בספקטרום ירד עד להיעלמות מוחלטת, כצפוי לאור המושגים הניוטוניים.
משמעות
הכנסת עקרון ההתכתבות הפכה לצעד ביניים חשוב לקראת ההכרה בקיומה של מכניקת קוונטים מיוחדת. מודל האטום של בוהר הפך עבור רבים לנקודת מוצא בבניית תיאוריות מדויקות יותר של תנועתם של חלקיקים תת-אטומיים. נילס בוהר לא הצליח למצוא פרשנות פיזיקלית מדויקת לכלל הקוונטיזציה, אך הוא לא יכול היה לעשות זאת, שכן תכונות הגל של חלקיקים אלמנטריים התגלו רק עם הזמן. לואי דה ברולי, שהשלים את התיאוריה של בוהר בתגליות חדשות, הוכיח שכל מסלול, לפישהאלקטרון מניע הוא גל המתפשט מהגרעין. מנקודת מבט זו, המצב הנייח של האטום החל להיחשב כזה שהוא נוצר במקרה שבו הגל, לאחר שעשה מהפכה שלמה סביב הגרעין, חוזר על עצמו.
