Het begin van de 20e eeuw was een zeer gunstige tijd voor de wetenschappen. Naast Ernest Rutherford en Niels Bohr die het standaardmodel van de deeltjesfysica voortbrachten, was het ook een periode van doorbraken op het gebied van de kwantummechanica. Dankzij lopende onderzoeken naar het gedrag van elektronen, begonnen wetenschappers theorieën voor te stellen waarbij deze elementaire deeltjes zich gedroegen op manieren die de klassieke, Newtoniaanse fysica trotseerden.
Een voorbeeld hiervan is het Electron Cloud Model voorgesteld door Erwin Schrodinger. Dankzij dit model werden elektronen niet langer afgebeeld als deeltjes die in een vaste baan rond een centrale kern bewegen. In plaats daarvan stelde Schrodinger een model voor waarbij wetenschappers alleen onderbouwde gissingen konden doen over de posities van elektronen. Daarom konden hun locaties alleen worden beschreven als onderdeel van een 'wolk' rond de kern waar de elektronen waarschijnlijk worden gevonden.
Atoomfysica tot de 20e eeuw:
De vroegst bekende voorbeelden van atoomtheorie komen uit het oude Griekenland en India, waar filosofen zoals Democritus postuleerden dat alle materie was samengesteld uit kleine, ondeelbare en onverwoestbare eenheden. De term "atoom" werd in het oude Griekenland bedacht en leidde tot de denkrichting die bekend staat als "atomisme". Deze theorie was echter meer een filosofisch concept dan een wetenschappelijk.
Pas in de 19e eeuw werd de atoomtheorie verwoord als een wetenschappelijke kwestie, waarbij de eerste evidence-based experimenten werden uitgevoerd. Begin 1800 gebruikte de Engelse wetenschapper John Dalton bijvoorbeeld het concept van het atoom om uit te leggen waarom chemische elementen op bepaalde waarneembare en voorspelbare manieren reageerden. Door middel van een reeks experimenten met gassen ontwikkelde Dalton de zogenaamde Atomic Theory van Dalton.
Deze theorie breidde zich uit over de gesprekswetten van massa en bepaalde verhoudingen en kwam neer op vijf premissen: elementen, in hun puurste staat, bestaan uit deeltjes die atomen worden genoemd; atomen van een specifiek element zijn allemaal hetzelfde, tot aan het allerlaatste atoom; atomen van verschillende elementen kunnen worden onderscheiden door hun atoomgewichten; atomen van elementen verenigen zich om chemische verbindingen te vormen; atomen kunnen niet worden gemaakt of vernietigd in een chemische reactie, alleen de groep verandert ooit.
Ontdekking van het elektron:
Tegen het einde van de 19e eeuw begonnen wetenschappers ook te theoretiseren dat het atoom uit meer dan één fundamentele eenheid bestond. De meeste wetenschappers waagden echter dat deze eenheid zo groot zou zijn als het kleinste bekende atoom - waterstof. Tegen het einde van de 19e eeuw zou de zijne drastisch veranderen, dankzij onderzoek uitgevoerd door wetenschappers zoals Sir Joseph John Thomson.
Door middel van een reeks experimenten met kathodestraalbuizen (bekend als de Crookes-buis), merkte Thomson op dat kathodestralen kunnen worden afgebogen door elektrische en magnetische velden. Hij concludeerde dat ze niet uit licht bestonden, maar uit negatief geladen deeltjes die wel 1000 keer kleiner en 1800 keer lichter waren dan waterstof.
Dit weerlegde effectief het idee dat het waterstofatoom de kleinste eenheid van materie was, en Thompson ging verder met te suggereren dat atomen deelbaar waren. Om de totale lading van het atoom, die uit zowel positieve als negatieve ladingen bestond, te verklaren, stelde Thompson een model voor waarbij de negatief geladen 'bloedlichaampjes' werden verdeeld in een uniforme zee van positieve lading - bekend als het Plum Pudding-model.
Deze bloedlichaampjes zouden later 'elektronen' worden genoemd, gebaseerd op het theoretische deeltje dat in 1874 door de Anglo-Ierse natuurkundige George Johnstone Stoney werd voorspeld. En hieruit werd het Plum Pudding-model geboren, zo genoemd omdat het sterk leek op de Engelse woestijn die bestaat uit pruimencake en rozijnen. Het concept werd in maart 1904 in het Verenigd Koninkrijk aan de wereld geïntroduceerd Filosofisch tijdschrift, tot grote bijval.
Ontwikkeling van het standaardmodel:
Latere experimenten brachten een aantal wetenschappelijke problemen met het Plum Pudding-model aan het licht. Om te beginnen was er het probleem om aan te tonen dat het atoom een uniforme positieve achtergrondlading bezat, die bekend werd als het "Thomson-probleem". Vijf jaar later zou het model worden weerlegd door Hans Geiger en Ernest Marsden, die een reeks experimenten uitvoerden met alfadeeltjes en bladgoud - ook bekend als. het 'goudfolie-experiment'.
In dit experiment maten Geiger en Marsden het verstrooiingspatroon van de alfadeeltjes met een fluorescerend scherm. Als het model van Thomson correct was, zouden de alfadeeltjes ongehinderd door de atoomstructuur van de folie gaan. Ze merkten in plaats daarvan echter op dat hoewel de meesten er dwars doorheen schoten, sommige in verschillende richtingen waren verspreid, waarbij sommige teruggingen in de richting van de bron.
Geiger en Marsden concludeerden dat de deeltjes een elektrostatische kracht hadden ondervonden die veel groter was dan die was toegestaan door het model van Thomson. Omdat alfadeeltjes slechts heliumkernen zijn (die positief geladen zijn), impliceerde dit dat de positieve lading in het atoom niet wijd verspreid was, maar geconcentreerd in een klein volume. Bovendien zorgde het feit dat de deeltjes die niet werden afgebogen ongehinderd door, ervoor dat deze positieve ruimtes werden gescheiden door enorme kloven van lege ruimte.
Tegen 1911 interpreteerde natuurkundige Ernest Rutherford de Geiger-Marsden-experimenten en verwierp Thomson's model van het atoom. In plaats daarvan stelde hij een model voor waarbij het atoom bestond uit grotendeels lege ruimte, met al zijn positieve lading geconcentreerd in het midden in een heel klein volume, omgeven door een wolk van elektronen. Dit werd bekend als het Rutherford-model van het atoom.
Latere experimenten van Antonius Van den Broek en Niels Bohr hebben het model verder verfijnd. Terwijl Van den Broek suggereerde dat het atoomnummer van een element erg lijkt op zijn nucleaire lading, stelde de laatste een zonnestelselachtig model van het atoom voor, waarbij een kern het atoomnummer van positieve lading bevat en wordt omgeven door een gelijkwaardige aantal elektronen in orbitale schalen (ook bekend als het Bohr-model).
Het Electron Cloud-model:
In de jaren twintig raakte de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrodinger gefascineerd door de theorieën Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld en andere natuurkundigen. Gedurende deze tijd raakte hij ook betrokken bij de atoomtheorie en spectra, deed onderzoek aan de Universiteit van Zürich en vervolgens aan de Friedrich Wilhelm Universiteit in Berlijn (waar hij in 1927 Planck opvolgde).
In 1926 behandelde Schrödinger de kwestie van golffuncties en elektronen in een reeks artikelen. Naast het beschrijven van wat bekend zou worden als de Schrodinger-vergelijking - een partiële differentiaalvergelijking die beschrijft hoe de kwantumtoestand van een kwantumsysteem verandert met de tijd - gebruikte hij ook wiskundige vergelijkingen om de waarschijnlijkheid te beschrijven om een elektron in een bepaalde positie te vinden .
Dit werd de basis van wat bekend zou worden als het Electron Cloud (of kwantummechanische) model, evenals de Schrodinger-vergelijking. Gebaseerd op de kwantumtheorie, die stelt dat alle materie eigenschappen heeft die geassocieerd zijn met een golffunctie, verschilt het elektronenwolkmodel van het Bohr-model doordat het niet het exacte pad van een elektron definieert.
In plaats daarvan voorspelt het de waarschijnlijke positie van de locatie van het elektron op basis van een waarschijnlijkheidsfunctie. De waarschijnlijkheidsfunctie beschrijft in feite een wolkachtig gebied waar het elektron waarschijnlijk zal worden gevonden, vandaar de naam. Waar de wolk het dichtst is, is de kans om het elektron te vinden het grootst; en waar het elektron minder waarschijnlijk is, is de wolk minder dicht.
Deze dichte gebieden staan bekend als "elektronenorbitalen", aangezien ze de meest waarschijnlijke locatie zijn waar een baanend elektron zal worden gevonden. Als we dit 'wolk'-model uitbreiden tot een driedimensionale ruimte, zien we een halter of een bloemvormig atoom (zoals in de afbeelding bovenaan). Hier zijn de vertakkende gebieden de gebieden waar we de elektronen waarschijnlijk zullen vinden.
Dankzij het werk van Schrodinger begonnen wetenschappers te begrijpen dat het op het gebied van de kwantummechanica onmogelijk was om tegelijkertijd de exacte positie en het momentum van een elektron te kennen. Ongeacht wat de waarnemer aanvankelijk weet over een deeltje, ze kunnen alleen de volgende locatie of momentum voorspellen in termen van waarschijnlijkheden.
Ze zullen nooit een van beide kunnen vaststellen. Hoe meer ze weten over het momentum van een deeltje, hoe minder ze zullen weten over de locatie en omgekeerd. Dit is wat tegenwoordig bekend staat als het "onzekerheidsprincipe".
Merk op dat de in de vorige paragraaf genoemde orbitalen worden gevormd door een waterstofatoom (d.w.z. met slechts één elektron). Bij atomen die meer elektronen hebben, spreiden de elektronenorbitregio's zich gelijkmatig uit tot een bolvormige fuzzy ball. Dit is waar de term 'elektronenwolk' het meest geschikt is.
Deze bijdrage werd algemeen erkend als een van de kostbaarste bijdragen van de 20e eeuw, en een die een revolutie veroorzaakte op het gebied van de natuurkunde, de kwantummechanica en zelfs alle wetenschappen. Voortaan werkten wetenschappers niet langer in een universum dat gekenmerkt wordt door absolute tijd en ruimte, maar in kwantumonzekerheden en relativiteit van tijd en ruimte!
We hebben veel interessante artikelen geschreven over atomen en atoommodellen hier bij Space Magazine. Hier is wat is het atoommodel van John Dalton? Wat is het pruimpuddingmodel? Wat is het atoommodel van Bohr? Wie was Democritus? Wat zijn de onderdelen van een atoom?
Ga voor meer informatie naar Wat is kwantummechanica? van WordsSideKick.com.
Astronomy Cast heeft ook een aflevering over het onderwerp, zoals Aflevering 130: Radio Astronomy, Aflevering 138: Quantum Mechanics en Aflevering 252: Heisenberg Uncertainty Principle
