Tipărire
Categorie: Mecanica cuantică
Accesări: 12024

Mecanica cuanticăAcest articol conţine partea a doua a documentarului care prezintă principalele idei din mecanica cuantică. În episodul 2 puteţi afla despre modelul atomic propus de Niels Bohr şi cum explică acesta liniile spectrale ale hidrogenului, dar şi despre dualitatea particulă-undă introdusă de francezul Louis de Broglie.

Mecanica cuantică - partea 1


STRUCTURA ATOMULUI

Încă din timpul primelor decenii ale secolului XIX oamenii de ştiinţă şi-au îndreptat eforturile în direcţia studierii structurii atomilor. La început de secol XX se ştia, de pildă, că atomul de hidrogen conţine un proton şi un electron. Numai că pe atunci oamenii de ştiinţă nu puteau imagina un aranjament stabil al celor două particule. Se descoperise că protonii unui atom erau grupaţi într-o mică regiune centrală numită nucleu şi se cunoştea că electronii erau dispuşi în jurul acestuia într-un mod încă nedesluşit,  la distanţe apreciabile de el prin comparaţie cu dimensiunea sa.

Dar, în cazul hidrogenului, dacă electronul ar fi fost staţionar, atunci ar fi "căzut" înspre nucleu din moment ce sarcinile electrice ale celor două particule dădeau naştere unei forţe de atracţie între acestea. Mai mult, electronul nu putea fi nici pe o orbită circulară în jurul nucleului. Mişcarea circulară presupune o acceleraţie constantă a corpului care se roteşte, pentru a-l menţine pe orbită. Numai că electronul posedă o sarcină electrică, iar sarcinile electrice emit  energie electromagnetică când sunt în mişcare accelerată. Astfel că un electron aflat în mişcare circulară pe orbită în jurul nucleului ar trebui să emită radiaţie electromagnetică, ar pierde energie şi nu şi-ar putea menţine orbita, "prăbuşindu-se" în spirală spre nucleu.


Mecanica cuantică - episodul 2


MODELUL ATOMIC AL LUI BOHR

Neils Bohr propune primul model atomic funcţional al atomului de hidrogen. În cadrul acestui model, electronul orbitează în jurul nucleului asemenea planetelor în jurul Soarelui. Folosind ideea cuantificării energiei introdusă de Planck pentru explicarea catastrofei ultraviolete, Bohr afirmă că în mişcarea sa în interiorul atomului de hidrogen electronul poate avea doar valori discrete ale momentului cinetic, atunci când orbitează în jurul nucleului.

Asta înseamnă că electronul poate orbita în jurul nucleului doar la anumite distanţe de acesta. În ceea ce priveşte problema pierderii de energie prin radierea datorată mişcării circulare, Bohr se limitează la a postula că acest lucru “pur şi simplu nu se produce” (până şi marii fizicieni mai trişează uneori!) El postulează că în interiorul unui atom electronii emit radiaţie electromagnetică doar atunci când "sar" de pe o orbită permisă pe o alta, iar energia radiaţiei emise ne oferă informaţii despre orbitele permise.

Lungimile de undă ale luminii absorbite de atomul de hidrogen atunci când este supus acţiunii radiaţiei electromagnetice, ca şi lungimile de undă ale luminii re-radiate ulterior absorbţiei, fuseseră atent studiate la acea vreme, dar observaţiile experimentale erau încă neexplicate.

Iată un exemplu de spectru de absorbţie şi de spectru de emisie:

 

Spectre hidrogen
Spectrele de emisie şi absorbţie ale hidrogenului

 

Prezicând valorile orbitelor electronului în cadrul atomului de hidrogen, modelul lui Bohr prezicea, de asemenea, şi lungimile de undă asociate liniilor spectrale ale hidrogenului. Şi modelul său a reprezentat un imens succes. Acest model  explica în detaliu spectrul atomic al hidrogenului. Când energiile corespunzătoare lungimilor de undă ale liniilor spectrale sunt comparate cu diferenţele de energie între orbitele electronice permise de modelul atomic al lui Bohr - potrivirea este perfectă. Astfel că abordarea cuantică s-a bucurat de un mare succes în explicarea orbitelor electronice ale hidrogenului, dar nimeni nu ştia încă DE CE NUMAI ANUMITE ORBITE erau permise.

UNDE DE MATERIE. DUALITATEA PARTICULĂ-UNDĂ

În cadrul tezei sale de doctorat susţinută în 1924, Louis de Broglie avansa o idee simplă, dar extrem de curajoasă, prin introducerea căreia se vor face progrese majore în înţelegerea lumii atomilor, un adevărat salt cuantic1, s-ar putea spune.

Din moment ce Einstein, Planck şi Compton stabiliseră clar faptul că lumina prezenta caracteristici duale, de corpuscul, dar şi de undă, de Broglie sugerează că şi materia: protonii, electronii, chiar şi atomii sau, mai mult, obiecte macroscopice precum bilele de biliard, etc. e posibil să se comporte uneori asemenea undelor.

Louis de Broglie
Louis de Broglie

Şi dacă se aplică această idee atomului lui Bohr, multe întrebări primesc răspuns. În primul rând, orbitele permise trebuie să fie multiplu al lungimii de undă calculate pentru unda asociată electronului. La nivelul altor orbite, cele nepermise, apare fenomenul de interferenţă distructivă a undelor de materie ale electronilor, ceea ce înseamnă că aceştia nu pot exista acolo. Astfel că circumferinţa unei orbite permise trebuie să aibă valoarea egală cu a lungimii de undă a undei asociate electronului. Sau dublul acelei valori.  Sau triplul valorii acelei lungimi de undă. Sau, mai exact, orice multiplu al acelei lungimi de undă.

În al doilea rând, aceste orbite nu sunt orbite în sensul tradiţional, înţeles prin comparaţie cu mişcarea planetelor în jurul Soarelui. Electronii nu se deplasează în jurul nucleului circular. Mai degrabă putem vorbi de nişte unde staţionare care înconjoară perfect nucleul atomic. Poziţia şi viteza exacte ale electronului nu pot fi specificate la un moment anume de timp.

Mecanica cuantică - partea a 3-a

Citiţi şi articolele următoare:
Modelul atomic al lui Niels Bohr
Dualitatea corpuscul-undă

 

 

1 - salt cuantic, din englezescul "quantum leap" - sintagmă care descrie saltul electronului dintr-o stare cuantică în alta în interiorul atomului, şi care a căpătat în timp înţelesul impropriu de creştere bruscă şi de mari proporţii a unui indicator.


______
Notă: articolul de mai sus este reproducerea textului folosit în film, adaptat pe alocuri pentru a elimina dialogurile inutile.
Traducerea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com