Objev struktury atomu a vývoj názorů na jeho stavbu

  • Objev radioaktivity v 19. století a vysvětlení její podstaty na začátku 20. století si vynutily změnu v nazírání na atom. Bylo třeba opustit představu o neměnném a nezničitelném atomu, na níž byla postavena fyzika i chemie 19. století.
  • První model atomu navrhl J. J. Thomson roku 1904, když poznal, že elektrony lze uvolnit z atomu kteréhokoli prvku a jsou tedy jeho nezbytnou součástí. Podle tohoto modelu je atom kulový, kladně nabitý útvar, v němž jsou rozptýleny záporně nabité elektrony. Jejich náboj kompenzuje náboj kladně nabitého útvaru. Tento model umožnil vysvětlit ionizaci atomu, původ rentgenového záření i elektrické vlastnosti látek.
  • V roce 1909 byly prováděny pokusy, pod vedením E. Rutherforda, které vedly k myšlence, že atom má nepatrné, ale masivní centrum, které nese elektrický náboj. Tento objev byl podnětem k tomu, že Rutherford roku 1911 vytvořil planetární model atomu. Podle jeho představ se každý atom skládal z kladně nabitého jádra, kolem něhož obíhaly záporně nabité elektrony – podobně jako obíhají planety kolem Slunce. Tento model však odporoval poznatkům klasické fyziky o elektřině. Pohybem elektronů kolem jádra by se totiž měla měnit jejich energie. Postupnou ztrátou kinetické energie by se elektron velmi rychle blížil k jádru, až by s ním nakonec zcela splynul.
  • Rozpory E. Rutheforda odstranil N. Bohr, který s ním v letech 1912-1913 spolupracoval. Vyslovil hypotézu, že zákony klasické mechaniky a elektrodynamiky makroskopických těles neplatí pro částice atomových jader a elektrony. Podle jeho teorie se mohou elektrony pohybovat pouze po tzv. stacionárních drahách o určité energii a jejich moment hybnosti může nabývat pouze určitých hodnot. Dále vycházel z předpokladu, že elektrony na těchto drahách nevyzařují žádnou energii. Jen tehdy, když elektron mění svou dráhu, vyzařuje nebo absorbuje atom energii o určitých dávkách - kvantech. Model umožnil vysvětlit i chemické chování prvků. Kvantová čísla, zavedená k popisu elektronové struktury, představovala užitečnou pomůcku, ale chyběl jim reálný fyzikální význam. Tento model sice některé problémy objasnil, vyvolal však řadu dalších otázek.
  • V roce 1916 se A. Sommerfeld pokusil zpřesnit Bohrův model atomu tím, že elektrony obíhají kolem jádra nikoliv po kruhových, ale obecně po eliptických drahách. Ani tímto modelem se však nepodařilo plně vysvětlit spektra atomů.
  • S. Goudsmit a G. Ulenbeck zavedli k vysvětlení rozporu další kvantové číslo – spinové.
  • Nejvýznamnější experimenty, které potvrdili kvantování energetických hladin elektronů v atomech, byly provedeny J. Franckem a G.Hertzem. Oba experimentátoři zkoumali od roku 1911, jaká energie je potřebná na uvolnění elektronu z atomu. Důležité byly jejich experimenty z roku 1914, kdy zkoumali srážky elektronů se rtuťovými parami. Z pokusu bylo zřejmé, že urychlené elektrony se pružně odrážejí od atomů rtuti, pokud nedosáhnou určité potřebné energie (4,9 eV), tzv. ionizační energie. N. Bohr měl vůči této interpretaci námitky a vyslovil myšlenku, že se jedná spíše o přechod elektronu z jedné stacionární hladiny na druhou. V roce 1919 J. Franck a G. Hertz tuto Bohrovu interpretaci přijali.
  • Zásadní změnu v nazírání na povahu elektronu a celkově všech hmotných částic přinesly práce L. de Broglieho kolem roku 1922. Všiml si, že spíše než planetu obíhající kolem Slunce připomíná elektron v atomu chování stojatého vlnění, prostorově omezeného na bezprostřední okolí kladně nabitého jádra. Je-li vlnění vázáno na určitý omezený prostor, nemůže kmitat s libovolnými frekvencemi, nýbrž pouze s takovými, jaké jsou určeny tvarem a rozměry omezujícího prostoru. V atomu je elektron poután k jádru elektrickou silou a elektronová vlna, která podle de Broglieho elektronu přísluší, je tím prostorově omezena na bezprostřední okolí jádra. Vzniká stojaté vlnění; přitom tvar a velikost atomu, v němž je elektron vázán, určuje přípustné kmitové stavy, v nichž se elektron může nacházet. Tyto přípustné frekvence vypočetl rakouský fyzik E. Schrôdinger roku 1926. Je-li elektronová vlna v určitém kmitovém stavu, pak atom nezáří. Pouze při přechodu z vyššího kmitového stavu do nižšího atom vysílá elektromagnetické záření.
  • Představou o vlnové povaze elektronu v atomu se podařilo vysvětlit chování atomů, vlastnosti atomů, jako je jejich značná stabilita vůči nárazům a zásahům zvenčí a schopnost zachovávat si svou chemickou identitu a podařilo se také velmi přesně předpovědět charakteristické frekvence vyzařované atomy.
  • Podle myšlenky E. Schrôdingera roku 1926 by elektron neměl jednou provždy definovaný tvar, nýbrž by přijímal takový, jaký mu vymezuje působící silové pole (v případě atomu je jím elektrické pole kladně nabitého jádra).
  • Zkoumání elektronových stavů v atomu potvrdilo intuitivní názor, že při popisu elektronových stavů nevystačíme s představou kulovitého tělíska, nezavedeme-li současně pojem elektronové vlny. De Broglie postuloval, že vlnová délka příslušející letícímu elektronu je určena jeho hybností (λ=h/p): čím je hybnost větší, tím je vlnová délka menší. Tato de Broglieova hypotéza je v podstatě výrokem o dualistické povaze částic, povaze korpuskulární a povaze vlnové. Elementární částice se někdy chovají jako částice (korpuskule), jindy jako vlny; každému druhu částic přísluší vlnění o jiné vlnové délce.