ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ

     Ιστορικά στοιχεία της Ατομικής  Θεωρίας

    Η πρώτη κβαντική εικόνα για το άτομο του Υδρογόνου από τον Bohr δεν ήρθε ξαφνικά, αλλά  έπειτα από μια σειρά από σημαντικές ανακαλύψεις σχετικές με φαινόμενα που οδηγούσαν στην άποψη ότι το άτομο έχει δομή . Ιστορικά γεγονότα που προηγήθηκαν είναι η μελέτη του φαινομένου της εκκένωσης των αερίων στη δεκαετία 1870-1880 και ακολουθεί η ανακάλυψη των ακτίνων Χ το 1895 από  τον Roentgen και τα πειράματα του Thomson σχετικά με τις καθοδικές ακτίνες το 1886-87. Τα πειράματα των ηλεκτρικών εκκενώσεων έγιναν με σωλήνες αερίων χαμηλής πίεσης (μερικά  mm στήληςHg )  και  χρησιμοποιήθηκαν κυρίως από τον Crooke και τον Lenard στη μελέτη των καθοδικών ακτίνων.

                                                                

    O Thomson  το 1886 άρχισε την προσπάθειά του για να μελετήσει τη φύση των καθοδικών ακτίνων και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αποτελούνται από φορτισμένα αρνητικά σωματίδια αφού αποκλίνουν κατά την πορεία τους σε ηλεκτρικό πεδίο. Ακόμη η παρατήρησή του ότι η μαγνητική δύναμη επιδρά πάνω τους οδήγησε στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για κινούμενα ηλεκτρικά φορτία. Ο Thomson προσδιόρισε επίσης το λόγο  e/m των φορτισμένων σωματιδίων των καθοδικών ακτίνων. (για το φορτίο χρησιμοποίησε το σύμβολο e και όχι το q) .

α/Από τον Τόμσον (Τhomson) και τα πειράματά του στις καθοδικές ακτίνες, όπου προσδιόρισε ότι αποτελούνται από ηλεκτρισμένα αρνητικά σωματίδια (αργότερα ονομάστηκαν ηλεκτρόνια) παρακολουθούμε στη συνέχεια γεγονότα που οδήγησαν στην ατομική θεωρία του Bohr.

 α/Αναφέρουμε τη μελέτη του γραμμικού φάσματος των αερίων  που σχετίζεται με την απορρόφηση και εκπομπή φωτός από το αέριο. Ειδικά για το άτομο του Υδρογόνου έχουμε τον εμπειρικό τύπο των Βάλμερ-Ρίντμπεργκ (Balmer-Rydberg)  για τις φασματικές του γραμμές και τη συχνότητά τους.

    β/ τη ραδιενεργό εκπομπή ακτινοβολίας . Πρέπει να πούμε ότι τα σωμάτια α που προκύπτουν κατά τη ραδιενεργό διάσπαση του αερίου ραδονίου χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα του Rutherford που οδήγησαν στο πρώτο ατομικό μοντέλο

   γ/ το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και την προσπάθεια ερμηνείας του. Η μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινόμενου άρχισε από τον Lenard που χρησιμοποίησε διάφορες φωτεινές πηγές (βολταϊκό τόξο με ηλεκτρόδια από άνθρακα ,ψευδάργυρο ). Το φως κατά την πρόσπτωσή του σε μεταλλικές πλάκες αποσπά ηλεκτρόνια που αποτελούν το φωτοηλεκτρικό ρεύμα. Η παρατήρηση ότι η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων δεν επηρεάζεται από την ένταση της φωτεινής δέσμης παρά μόνο το ρεύμα κόρου. Η δυσκολία ερμηνείας του φωτοηλεκτρικού φαινομένου με τη βοήθεια της κλασσικής  ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας έδειχνε ότι κάτι άλλο συνέβαινε στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

    Το 1905 ο Einstein με το φωτόνιο που επινόησε  ερμήνευσε πλήρως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ο ίδιος o Einstein γράφει σε άρθρο του το 1905:

     « Κατανοούμε καλύτερα τις παρατηρήσεις που συνδέονται με την ακτινοβολία του μέλανος σώματος, με το φθορισμό , το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και τα άλλα σχετικά φαινόμενα , αν υποθέσουμε ότι η ενέργεια του φωτός κατανέμεται ασυνεχώς στο χώρο. Σύμφωνα με την υπόθεση που εξετάζουμε στο παρών άρθρο , η ενέργεια μιας ακτίνας φωτός που ξεκινά από κάποιο σημείο , δεν κατανέμεται συνεχώς  σε όλο και μεγαλύτερο χώρο ,συνίσταται από πεπερασμένο πλήθος κβάντων ενέργειας με συγκεκριμένη θέση στο χώρο που κινούνται χωρίς να διαιρούνται και παράγονται και απορροφούνται σε ακέραιες ποσότητες»  . ( Ο όρος φωτόνιο εμφανίζεται αργότερα).

   Από το βιβλίο του Arlond B Arons  - Α guide to introductory physics teaching. (μετάφραση : Βαλαδάκης Ανδρέας)

Στη μελέτη του ατόμου που πρότεινε ο Bohr μπορούμε να υπολογίσουμε την ταχύτητα της κυκλικής κίνησης , την ακτίνα της τροχιάς και την δυναμική και κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου κατά την αλληλεπίδραση του με τον πυρήνα του ατόμου .  Οι κλασσικές αυτές έννοιες είναι κατανοητές αλλά ταυτόχρονα εμφανίζονται και η επιτρεπόμενες τροχιές με τις διακριτές ενεργειακές στάθμες καθώς και οι διεγερμένες καταστάσεις πέρα από τη θεμελιώδη. Παρατηρούμε μια  μετάβαση από τις κλασσικές αντιλήψεις της φυσικής στις κβαντικές απόψεις της ενέργειας που αλληλεπιδρά με την ύλη και εκπέμπεται ή απορροφάται από αυτήν.

  Ο Rutherford  έστειλε επιστολή στον Bohr στις 20 Μαρτίου 1913 μετά την δημοσίευση   της ατομικής του θεωρίας. Είναι χαρακτηριστικός ο προβληματισμός του Rutherford . Λέει στον  Bohr «  Είναι δύσκολο να αντιληφθώ από φυσική άποψη που βασίζεται η ανάμειξη των ιδεών του Plank με την παλαιά μηχανική . Μου φαίνεται ότι στις υποθέσεις σου υπάρχει μια σοβαρή δυσκολία . Πως ένα ηλεκτρόνιο , περνώντας από μια στάσιμη κατάσταση στην άλλη , αποφασίζει με ποια συχνότητα θα ταλαντωθεί :  Μου φαίνεται ότι πρέπει να θεωρήσεις πως το ηλεκτρόνιο γνωρίζει εκ των προτέρων  που θα σταματήσει».

  
                                                  

O Einstein με τον Max  Plnak

  Η κβαντική φυσική έκανε την εμφάνισή της  όταν ο Max Planck (1900) διατύπωσε τη θεωρία των quanta για να αντιμετωπίσει μερικά από τα προβλήματα φυσικής της εποχής του. Να αναφέρουμε μερικά από τα σημαντικότερα όπως α/ το πρόβλημα του νόμου της ακτινοβολία του μέλανος σώματος  β/ το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και γ/ το πρόβλημα της σταθερότητας και των διαστάσεων που θα έπρεπε να έχει το άτομο. Η σταθερά h του Planck που εμφανίζεται στη θεωρία των quanta (h  κβάντο δράσης) προστέθηκε στις τότε γνωστές φυσικές σταθερές της κλασσικής φυσικής που μπορούν να ονομαστούν και θεμελιώδης σταθερές της  Φύσης . Τις αναφέρουμε ξεκινώντας από 1/ την ταχύτητα του φωτός C= 3 10⁸ m/sec 2/ Τον αριθμό του Avogadro, Ν₀₌6,023  10²³  που εκφράζει τον αριθμό των μορίων σε ένα γραμμομόριο , τιμή που προέκυψε από την κινητική θεωρία των αερίων και ήταν γνωστή το 1900.   3/ τη μάζα του ατόμου του Υδρογόνου  m=1,67 10²⁷ Kgr  4/ το στοιχειώδες φορτίο του ηλεκτρονίου  e=1,6 10^-19 Cb  5/ το λόγο e/m του ηλεκτρονίου που είναι 1,76 10⁸  cb/gr  6/ τη μάζα του ηλεκτρονίου m=9,11 10^-28 gr .

    Σχετικά με το νόμο του Planck για την ακτινοβολία γνωρίζουμε ότι τον παρουσίασε στη Γερμανική ένωση Φυσικών  στις 19 Οκτωβρίου 1900 και του έδωσε την οριστική του μορφή οκτώ εβδομάδες αργότερα.

   Για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μπορούμε να πούμε ότι το εξήγησε πλήρως ο Einstein  το 1905 . Σύμφωνα με την ερμηνεία του η ακτινοβολία μιας δέσμης μονοχρωματικού φωτός προσπίπτει στο μέταλλο με πακέτα ενέργειας μεγέθους E= hf και  μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια τα οποία ξοδεύουν ένα μέρος αυτής για να δαπανήσουν  έργο  W απομάκρυνσής τους από το μέταλλο και το υπόλοιπο μετατρέπεται   σε κινητική ενέργεια E_κιν  με την οποία εξέρχονται από αυτό. Η περίφημη φωτοηλεκτρική έξίσωση του Einstein  έχει την εξής μορφή :  E_κιν  = h f-W  . Η εξίσωση αυτή βοήθησε  στη μέτρηση της σταθερής του Planck. H  ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινόμενου από τον Einstein  έγινε δυνατή όταν αυτός έδωσε στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία  σωματιδιακές ιδιότητες  θεωρώντας ότι αποτελούνται από φωτόνια ( quanta ).