Le modèle de Niels Bohr de 1913 de l'atome n'était jamais censé être une image de la réalité.Il était censé fonctionner, et il a fonctionné si bien que la physique a passé les deux prochaines décennies à le remplacer par quelque chose de plus étrange.
En 1913, un physicien danois de 27 ans a publié trois articles dansMagazine philosophiquesous le titre "Sur la Constitution des atomes et des molécules." Les articles n'ont pas inventé la théorie atomique. Ils l'ont sauvé. Ernest Rutherford avait montré deux ans plus tôt que l'atome a un noyau minuscule, massif, positivement chargé avec des électrons à l'extérieur. Le problème était évident: une particule chargée se déplaçant dans un cercle doit rayonner de l'énergie électromagnétique, perdre de la vitesse, et tomber dans le noyau.
L'hydrogène ne s'effondre pas. Bohr s'est arrêté de demander pourquoi un électron peut orbiter et a commencé à demander ce qui se passe quand un électron change d'orbite. Cette question est venue avec des données. Réchauffez l'hydrogène dans un tube de décharge, passez la lumière à travers un prisme, et vous n'obtenez pas de teinte de couleur. Vous obtenez des lignes nettes, séparées: rouge, bleu-vert, bleu, violet. Johann Balmer avait trouvé une formule numérique simple pour ces longueurs d'onde en 1885, et Bohr a reconnu que le spectre d'hydrogène était l'empreinte digitale des niveaux d'énergie à l'intérieur de l'atome.
Il avait le paradoxe de stabilité de Rutherford, l'idée quantique de Max Planck, le concept de photon d'Albert Einstein, et des chiffres précis de spectroscopistes.
Les trois règles qui tenaient l'atome d'hydrogène ensemble
Assez court pour écrire sur une carte d'index, chaque règle équivaut à un acte de violence contre l'électrodynamique classique.
- Dans l'un de ces états, l'électron ne rayonne pas, même si l'électrodynamique classique dit qu'il doit.
- Les états autorisés obéissent à une condition : l'élan angulaire de l'électron vient en multiples entiers de la constante de Planck divisée par 2π, une quantité maintenant écrite comme ħ et prononcée h-bar.
- Lorsqu'il tombe d'un niveau supérieur à un niveau inférieur, il émet exactement un photon, et l'énergie du photon est égale à la différence entre les deux niveaux.
C'est le morceau de la théorie de Bohr qui a survécu. Les orbites sont mortes plus tard. Le saut discontinu est le point complet: un électron ne glisse pas d'un état à l'autre; il disparaît d'un état et réapparaît dans un autre, et l'énergie manquante apparaît comme la lumière.
L'arithmétique est la meilleure partie, parce que Bohr l'a fait avec des outils du XIXe siècle. Pour un atome d'hydrogène avec un proton, définissez la force centrifuge classique égale à l'attraction de Coulomb, puis imposez l'état d'impulsion angulaire L = nħ. Ce qui tombe est un ensemble de rayons autorisés qui se développent en tant que n2 et permettent des énergies qui se rétrécissent en tant que 1/n2. L'énergie la plus basse, à n = 1, est -13.6 électronvolts. C'est l'énergie d'ionisation mesurée de l'hydrogène: il faut 13,6 eV pour enlever l'électron. L'orbite la plus intérieure a un rayon de 0,05
Puis Bohr a appliqué la règle du saut. Un électron tombant de n = 3 à n = 2 émet un photon dont l'énergie est la différence entre ces niveaux. Bohr a calculé la longueur d'onde et la correspond à la ligne rouge dans le spectre d'hydrogène visible. La formule de Balmer, qui était assise inexpliquée depuis 1885, est devenue une conséquence de la structure atomique. La dérivation de Bohr a également produit la constante de Rydberg - le facteur d'échelle dans la formule de Balmer - à partir de la charge de l'électron, la masse de l'électron, la constante de Planck et la vitesse de la lumière. La valeur calculée correspond à la constante mesurée assez étroitement que la théorie ne
La même règle prédit de nouvelles régions du spectre. les lignes visibles de Balmer proviennent d'électrons tombant à n = 2. Les électrons tombant à n = 1 devraient émettre de la lumière ultraviolette - la série Lyman, que les spectroscopes avaient déjà commencé à détecter en 1906 et que le modèle de Bohr a maintenant expliqué.
Les victoires sont venues avec un reçu. Le modèle a fonctionné pour l'hydrogène, avec son électron unique. Il a échoué pour l'hélium, avec deux électrons, parce que Bohr n'avait aucun moyen de gérer la répulsion entre eux. Il ne pouvait pas expliquer le lien chimique, la luminosité relative des lignes spectrales, ou pourquoi un électron saute à un instant et pas un autre. Plus l'atome est lourd, plus les prédictions deviennent mauvaises. Un passage technique concis qui ne s'éloigne pas des ruptures estArticle de Britannica sur le modèle de BohrLe .
Arnold Sommerfeld, homologue de Bohr à Munich, a patché les patches. En 1915 et 1916, il a remplacé les cercles de Bohr par des ellipses, ajouté des nombres quantiques séparés pour la forme et l'orientation de l'orbite, et plié dans la relativité spéciale d'Einstein. Le modèle étendu expliquait la structure fine de l'hydrogène - les doublets étroitement espacés que révèle la spectroscopie à haute résolution.
Stockholm avait déjà remarqué.En 1922, Bohr a reçu lePrix Nobel de physiqueIl a fondé l'Institut de physique théorique à Copenhague l'année précédente, et il est devenu un aimant pour les physiciens qui termineraient le travail: Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, George Gamow, et un casting de physiciens plus jeunes de toute l'Europe.Institut Niels Bohr, et leLes archives de Niels Bohrà Copenhague conserve les manuscrits et la correspondance de Bohr, y compris les projets des documents de 1913.
La fin du modèle d'orbite est venu rapidement, entre 1925 et 1927. Heisenberg construit la mécanique de la matrice en 1925, abandonnant complètement les trajectoires. Erwin Schrödinger a suivi en 1926 avec la mécanique des ondes et l'équation qui porte son nom, dans lequel l'électron est une onde dispersée plutôt qu'une particule sur un chemin. Les niveaux d'énergie Bohr avait introduit survécu intact - l'équation de Schrödinger les reproduit exactement pour l'hydrogène - mais l'orbite a été remplacée par un orbital, une région de probabilité où l'électron est susceptible d'être trouvé.
Ce qui n’est pas mort : les états stationnaires, les énergies discrètes et le saut lui-même – ce que la théorie plus tard ne pouvait pas supprimer.Tous les manuels de chimie qui dessinent des coquilles d’électrons dessinent l’échafaudage de Bohr, généralement sans le dire.
Bohr a passé le reste de sa carrière à travailler à travers le choc philosophique. En 1927, lors d'une conférence à Como, il a introduit la complémentarité: la matière et la lumière peuvent se comporter comme des vagues ou comme des particules, mais pas les deux dans le même arrangement expérimental. Les deux descriptions sont mutuellement exclusives, et ensemble ils couvrent ce que la mesure peut montrer. La complémentarité est devenue la colonne vertébrale de ce qui est libéralement appelé l'interprétation de Copenhague, la famille de vues développée à l'institut de Bohr.Encyclopédie Stanford de la philosophie sur l'interprétation de CopenhagueIl est explicite qu’il ne s’agissait jamais d’une seule doctrine formelle – il s’agissait d’une philosophie de travail argumentée dans des séminaires, des lettres et de longues promenades.
L'argument le plus célèbre de l'histoire de la physique est venu de cette position. Einstein a accepté que la mécanique quantique faisait des prédictions exactes; il a refusé d'accepter que la théorie était complète. Aux conférences de Solvay de 1927 et 1930, Einstein a proposé des expériences de pensée conçues pour battre le principe de l'incertitude. Bohr a trouvé le défaut à chaque fois, et en 1930 il a utilisé la relativité générale d'Einstein lui-même pour réfuter un argument de boîte à photons. La plainte d'Einstein, écrite à Max Born en 1926, qu'il ne pouvait pas croire que Dieu joue des cubeaux, est la ligne que les gens se sou
Einstein a accentué le défi avec Boris Podolsky et Nathan Rosen en 1935.L'article EPR a soutenu que la mécanique quantique a forcé deux particules lointaines à s'influencer l'une l'autre instantanément, ce que Einstein a appelé plus tard "action effrayante à distance."Révision physiqueL'argument n'a jamais vraiment pris fin.Une longue série d'expériences Bell-test depuis les années 1970 a favorisé le tableau quantique sur le réalisme local d'Einstein.
En 1939, avec John Wheeler, il a publié le modèle à goutte liquide de la fission nucléaire, expliquant comment un noyau d'uranium lourd pouvait vibrer, se diviser et libérer de l'énergie - quelques mois seulement après la découverte de la fission. Lorsque l'Allemagne a occupé le Danemark en 1940, Bohr est resté jusqu'en 1943, puis a fui en Suède, a atteint la Grande-Bretagne, et a rejoint le Projet de Manhattan sous le pseudonyme de Nicholas Baker. Il a compris la politique de la bombe aussi clairement que sa physique, et il a passé ses dernières années à se battre pour l'ouverture et le contrôle international de l'énergie atomique, y compris une longue lettre ouverte aux Nations Unies en
Bohr est mort à Copenhague le 18 novembre 1962. L'élément 107, bohrium, porte son nom. Son monument plus profond est le tableau que les étudiants rencontrent d'abord: l'atome comme un ensemble de niveaux d'énergie discrets et sautables. Les physiciens ne croient pas que les électrons voyagent sur de petites rails autour du noyau. Ils croient - parce que Bohr leur a montré - que le monde atomique se déplace en étapes.
Cette semaine, faites une chose: asseyez-vous avec le spectre d'émission d'hydrogène et les trois règles de Bohr côte à côte, et découvrez pourquoi le saut n = 3 à n = 2 produit de la lumière rouge.
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