ScienceBits

Száz éves a Bohr-féle atomelmélet

MAGYAR KÉMIKUSOK LAPJA, VEGYIPAR- ÉS KÉMIATÖRTÉNET

Az 1913-as év második fele fontos mérföldkő volt az atomelméletek fejlődésében: Niels Bohr (1885-1962) dán fizikus ekkor ismertette atomelméletét három hosszú közleményben a Philosophical Magazine folyóirat hatodik sorozatában (Phil. Mag. Ser. 6 1913, 26, pp. 1-25, pp. 476-502, pp. 857-875), illetve egy rövid olvasói levélben a Nature folyóiratban (Nature 1913, 92, pp. 231-232).

Ernest Rutherford (1871-1937) alig néhány évvel korábbi atommodellje a nagy tömegű atommag körül keringő kicsi elektronokat feltételezett, de kvantitatív előrejelzésekre nem volt képes. Emellett néhány alapvető sajátsága is ellentmondott a kísérleti tapasztalatoknak: nem tudta értelmezni az atomspektrumok akkoriban már fél évszázada ismert vonalas szerkezetét, és a klasszikus fizika tanítása szerint a keringő elektronoknak – mint gyorsuló töltéseknek – elektromágneses sugárzás kibocsátása közben folyamatosan energiát kellene veszíteniük.

Niels Bohr ezeket a problémákat posztulátumokkal oldotta meg, amelyek nem következtek a klasszikus fizikából, de az elektronmozgást alapjában véve a dinamika és elektrosztatika jól ismert törvényei segítségével írta le. Az egyik posztulátum a stacionárius állapotok feltételezése volt. E szerint az atomban kötött elektronok csak úgy létezhetnek, hogy mozgás közben nem sugároznak, illetve nem vesztenek energiát. Az atomi spektrumok vonalainak értelmezéséhez Bohr azt feltételezte, hogy ezek a stacionárius állapotok kvantáltak, vagyis energiájuk nem lehet tetszőleges, hanem néhány kiválasztott érték egyikének kell lennie. A kvantáltságot igazából nem is az energia, hanem a pályamozgáshoz tartozó impulzusmomentumok segítségével volt könnyebb megadni, amely csak h$/2$π egész számú többszöröse lehet. Ezek után már kézenfekvő volt, hogy az atomspektrumokban észlelhető vonalak két különböző stacionárius állapot közötti átmenetben keletkeznek.

A Bohr-féle atomelmélet egyik legnagyobb, azonnali eredménye az volt, hogy a hidrogén atomspektrumának elemzése alapján levezetett Rydberg-állandót (R_H = 1,097∙10⁷ m^-1) visszavezette egyetemes állandókra:

(a képlet a mai SI jelöléseit használja, m_e az elektron tömege, e az elektron töltése, h a Planck-állandó, c a fénysebsség, ε₀ a vákuum permittivitása). Erre a kor ismert tudományos személyiségei is felfigyeltek: Albert Einstein (1879-1955) fizikus figyelemre méltónak, Bertrand Russell (1872-1970) természetfilozófus pedig szenzációsnak tartotta. A hidrogénatomon kívül Bohr sikerrel értelmezte a He⁺-ion emissziós spektrumát is. 1913-as cikkei a röntgensugárzás és az atomok mágneses tulajdonságainak értelmezése területén is jelentős előrelépésnek bizonyultak; illetve az a felismerés is hozzá kötődik, hogy a β-sugárzás az atommagok által kibocsátott elektronokból áll.

Persze az említett három cikkben nem minden gondolatmenet állta ki az idő próbáját: Bohr a vízmolekulát lineáris alkatúnak, a H₂⁺-molekulaiont pedig instabilnak gondolta. A hidrogénatom alapállapotáról az bizonyosodott be, hogy a dán tudós elméletének feltevéseivel szemben az elektronnak nulla a pályaimpulzus-momentuma. Később Arnold Sommerfeld (1868-1951) segítségével az elméletét elliptikus elektronpályák és egy újabb kvantumszám feltételezésével bővítette ki, amivel a modell egy sor jelenség magyarázatára vált képessé, de ezzel eljutott alkalmazhatóságának határáig. Az atomok és molekulák szerkezetének és viselkedésének adekvát leírásában az újabb jelentős előrelépés az Erwin Schrödinger (1887-1961) osztrák fizikus által 1926-ban bevezetett, s később róla elnevezett hullámmechanikai egyenlet és a Werner Heisenberg (1901-1976) német fizikus által ugyanakkor javasolt „mátrixmechanika” kidolgozása volt. A Bohr-féle atomelmélettel szemben az új elmélet nem a korábban megalapozott fizikai összefüggések ad hoc megkötésén, hanem egészen új posztulátumokon alapult. A manapság kvantummechanikának nevezett elmélet nemcsak az elektron mozgásának leírására, hanem gyakorlatilag minden, a mikrorészecskék világában megmérhető tulajdonság helyes jóslására képes, ami az alapjául szolgáló posztulátumok helyességét bizonyítja.

2013.10.17.