Belangrijkste punten

• Het model van Niels Bohr, dat elektronen afbeeldde die als planeten rond de zon rond de kern cirkelen, kreeg in 1922 de Nobelprijs, ondanks dat het technisch onjuist was.
• Arnold Sommerfeld verbeterde het Bohr-model in 1916 met elliptische banen.
• Ondanks de onnauwkeurigheden blijft het Bohr-model een fundamenteel leermiddel bij de introductie van het concept van atomen.

Je kunt op internet naar een afbeelding van een atoom zoeken en je zult er een vinden, ook al heeft niemand ooit een atoom gezien. Maar we hebben een schatting gekregen van hoe een enkel atoom eruit ziet dankzij het werk van een aantal verschillende wetenschappers, zoals de Deense natuurkundige Niels Bohr.

Atomen zijn de bouwstenen van materie – een enkel atoom van elk individueel element is de meest fundamentele entiteit in de natuur die nog steeds voldoet aan de regels van de natuurkunde die we in het dagelijks leven kunnen observeren (de subatomaire deeltjes waaruit atomen bestaan, hebben hun eigen speciale regels) . Wetenschappers vermoedden al heel lang dat atomen bestonden voordat ze hun structuur konden conceptualiseren - zelfs de oude Grieken dachten dat de materie van het universum uit componenten bestond die zo klein waren dat ze niet in iets kleiners konden worden opgesplitst, en ze noemden deze fundamentele eenheden atomos , wat 'onverdeeld' betekent. Tegen het einde van de 19e eeuw werd begrepen dat chemische stoffen konden worden opgesplitst in atomen, die erg klein waren en atomen van verschillende elementen een voorspelbaar gewicht hadden.

Maar toen, in 1897, besloot de Britse natuurkundige J.J. Thomson ontdekte elektronen – negatief geladen deeltjes in de atomen waarvan iedereen het grootste deel van een eeuw had gedacht dat ze volkomen ondeelbaar waren – als de kleinste dingen die bestonden. Thomson veronderstelde slechts dat er elektronen bestonden, maar hij kon er niet precies achter komen hoe elektronen in een atoom passen. Zijn beste gok was het 'pruimenpuddingmodel', waarin het atoom werd afgebeeld als een positief geladen taart bezaaid met negatief geladen gebieden, verspreid als fruit in een ouderwets dessert.

‘Elektronen bleken negatief elektrisch te zijn, en allemaal met dezelfde massa en erg klein in vergelijking met atomen’, zegt Dudley Herschbach, een scheikundige van Harvard die in 1986 de Nobelprijs voor de Scheikunde deelde voor zijn ‘bijdragen over de dynamiek van chemische elementaire processen. ”, in een e-mail. "Ernest Rutherford ontdekte de kern in 1911. Kernen waren positief elektrisch, met verschillende massa's, maar veel groter dan elektronen, maar toch erg klein van formaat."

Een gigantische sprong voorwaarts

Niels Bohr was de student van Rutherford die in 1912 op speelse wijze het project van zijn mentor overnam om de structuur van het atoom te ontcijferen. Het kostte hem slechts een jaar om met een werkend model van een waterstofatoom te komen.

‘Bohrs model uit 1913 voor het waterstofatoom had cirkelvormige elektronenbanen rond het proton – zoals de aarde om de zon draait’, zegt Herschbach. "Bohr had gebruik gemaakt van een eenvoudig en regelmatig patroon voor het spectrum van het waterstofatoom, dat in 1885 door Johann Balmer was gevonden. Hij maakte ook gebruik van het idee van het kwantumidee, gevonden door Max Planck in 1900."

In 1913 was het Bohr-model een enorme sprong voorwaarts omdat het kenmerken van de nieuwe kwantummechanica in de beschrijving van atomen en moleculen integreerde. Dat jaar publiceerde hij drie artikelen over de samenstelling van atomen en moleculen:de eerste en bekendste was gewijd aan het waterstofatoom en de andere twee beschreven enkele elementen met meer elektronen, waarbij hij zijn model als raamwerk gebruikte. Het model dat hij voorstelde voor het waterstofatoom liet elektronen rond de kern bewegen, maar alleen op speciale sporen met verschillende energieniveaus. Bohr veronderstelde dat licht werd uitgezonden wanneer een elektron van een spoor met hogere energie naar een spoor met lagere energie sprong – waardoor waterstof in een glazen buis gloeide. Hij had het bij het juiste eind met waterstof, maar zijn model was een beetje onhandig.

“Het model kon de juiste waarde van de grondtoestandenergieën van veel elektronenatomen en de bindingsenergieën van de moleculen niet voorspellen – zelfs niet voor de eenvoudigste systemen met twee elektronen, zoals het heliumatoom of een waterstofmolecuul”, zegt Anatoly Svidzinsky. , een professor aan het Institute for Quantum Science and Engineering van Texas A&M, in een e-mailinterview. "Dus al in 1913 was het duidelijk dat het model van Bohr niet helemaal correct is. Zelfs voor het waterstofatoom voorspelt het model van Bohr onjuist dat de grondtoestand van het atoom een ​​baanimpulsmoment bezit dat niet nul is."

De Nobelprijs van 1922

Wat voor jou natuurlijk misschien niet zo logisch is als je geen kwantumfysicus bent. Het model van Bohr kreeg echter een versnelde ontwikkeling en ontving in 1922 de Nobelprijs voor de natuurkunde. Maar zelfs toen Bohr zijn reputatie in de wereld van de natuurkunde verstevigde, verbeterden wetenschappers zijn model:

"Bohrs model voor het waterstofatoom werd in 1916 verbeterd door Arnold Sommerfeld", zegt Herschbach. "Hij vond elliptische banen die verantwoordelijk waren voor spectralijnen dichtbij die van cirkelvormige banen. Het Bohr-Sommerfeld-model voor het waterstofatoom is basaal, maar kwantum en relativiteit werden belangrijke aspecten."

Tussen 1925 en 1928 ontwikkelden Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli, Erwin Schrodinger en Paul Dirac deze aspecten tot ver buiten Bohrs atomaire model, maar zijn model is veruit het meest erkende model van een atoom. De atomaire modellen die de kwantumfysica ons heeft gegeven, lijken minder op een zon omringd door elektronenplaneten en meer op moderne kunst. Waarschijnlijk gebruiken we nog steeds het Bohr-model omdat het een goede introductie is tot het concept van een atoom.

"In 1913 toonde het model van Bohr aan dat kwantisering de juiste weg is in de beschrijving van de microwereld", zegt Svidzinsky. “Zo toonde het model van Bohr wetenschappers een richting waarin ze moesten zoeken en stimuleerde het de verdere ontwikkeling van de kwantummechanica. Als je het pad kent, zul je vroeg of laat de juiste oplossing voor het probleem vinden. Je kunt het model van Bohr beschouwen als een van de richtingsborden langs een wandelpad naar de kwantumwereld."

Dat is interessant

De vader van Niels Bohr, Christian Bohr, werd genomineerd voor drie verschillende Nobelprijzen voor de Fysiologie van de Geneeskunde, hoewel hij deze nooit won.

Veelgestelde vragen

Waarom wordt het Bohr-model nog steeds op scholen onderwezen, ondanks dat het technisch incorrect is?

Het Bohr-model biedt een vereenvoudigde manier om het concept van atomen en elektronenbanen te introduceren, waardoor een fundamenteel begrip wordt geboden voordat wordt overgegaan op complexere kwantummechanische modellen.

Wat heeft het Bohr-model vervangen?

Het Bohr-model werd vervangen door kwantummechanische modellen die het gedrag van elektronen niet als banen beschrijven, maar als probabilistische locaties rond de kern.