O modelo de 1913 de Niels Bohr do átomo nunca foi projetado para ser uma imagem da realidade.Ele foi projetado para funcionar, e funcionou tão bem que a física passou as próximas duas décadas substituindo-o por algo mais estranho.
Em 1913, um físico dinamarquês de 27 anos publicou três artigos emRevista FilosofiaSob o título "Sobre a Constituição dos Átomos e Moléculas." Os artigos não inventaram a teoria atômica. Eles a salvaram. Ernest Rutherford tinha mostrado dois anos antes que o átomo tem um núcleo minúsculo, maciço, positivamente carregado com elétrons fora dele. O problema era óbvio: uma partícula carregada se movendo em um círculo deve irradiar energia eletromagnética, perder velocidade e cair no núcleo. Pela física do tempo, um átomo de hidrogênio deveria colapsar em cerca de um centésimo de um nanossegundo.
O hidrogênio não colapsa. Bohr parou perguntando por que um elétron pode orbitar e começou a perguntar o que acontece quando um elétron muda de órbita. Essa pergunta veio com dados. Aquecer o hidrogênio em um tubo de descarga, passar a luz através de um prisma, e você não obtém uma mancha de cor. Você obtém linhas afiadas, separadas: vermelho, azul-verde, azul, roxo. Johann Balmer tinha encontrado uma fórmula numérica simples para esses comprimentos de onda em 1885, e Bohr reconheceu que o espectro de hidrogênio era a impressão digital dos níveis de energia dentro do átomo.
Bohr não atacou um problema em branco.Ele tinha o paradoxo da estabilidade de Rutherford, a idéia quântica de Max Planck, o conceito de fótons de Albert Einstein, e números precisos de espectroscópicos.O que ele acrescentou foi uma regra sobre o salto.
As três regras que mantiveram o átomo de hidrogênio juntos
Curto o suficiente para escrever em um cartão de índice, cada regra equivale a um ato de violência contra a electrodinâmica clássica.
- Os elétrons orbitam o núcleo apenas em certos estados estacionários.Num desses estados, o elétron não irradia, embora a electrodinâmica clássica diga que deve.
- Os estados permitidos obedecem a uma condição: o momento angular do elétron vem em múltiplos inteiros da constante de Planck dividida por 2π, uma quantidade agora escrita como ħ e pronunciada como h-bar.
- Um elétron se move entre dois estados estacionários em um salto discontínuo.Quando ele cai de um nível mais alto para um nível mais baixo, ele emite exatamente um fóton, e a energia do fóton é igual à diferença entre os dois níveis.
É a peça da teoria de Bohr que sobreviveu. órbitas morreram mais tarde. O salto descontínuo é o ponto: um elétron não desliza de um estado para outro; ele desaparece de um e reaparece em outro, e a energia que falta aparece como luz.
A aritmética é a melhor parte, porque Bohr fez isso com ferramentas do século XIX. Para um átomo de hidrogênio com um próton, definir a força centrípeta clássica igual à atração de Coulomb, em seguida, impor a condição de impulso angular L = nħ. O que cai é um conjunto de raios permitidos que crescem como n2 e permitem energias que encolhem como 1/n2. A energia mais baixa, em n = 1, é -13.6 electronvolts. Isso é a energia de ionização medida de hidrogênio: leva 13.6 eV para remover o elétron. A órbita mais interna tem um raio de 0.0529 nanômetros, a física do número ainda chama o raio de Bohr.
Em seguida, Bohr aplicou a regra do salto. Um elétron caindo de n = 3 para n = 2 emite um fóton cuja energia é a diferença entre esses níveis. Bohr calculou o comprimento de onda e o ajustou à linha vermelha no espectro de hidrogênio visível. A fórmula de Balmer, que tinha ficado inexplicável desde 1885, tornou-se uma consequência da estrutura atômica. A derivação de Bohr também produziu a constante de Rydberg - o fator de escala na fórmula de Balmer - da carga do elétron, da massa do elétron, da constante de Planck e da velocidade da luz. O valor calculado correspondeu à constante medida suficientemente perto que a teoria não poderia ser descartada como coincidência.
A mesma regra previu novas regiões do espectro. as linhas visíveis de Balmer vêm de elétrons caindo para n = 2. Os elétrons caindo para n = 1 deveriam emitir luz ultravioleta - a série Lyman, que os espectroscópicos já tinham começado a detectar em 1906 e que o modelo de Bohr agora explicou. Os elétrons caindo para n = 3 deveriam emitir luz infravermelha, a série Paschen.
As vitórias vieram com um recibo. O modelo funcionou para o hidrogênio, com seu único elétron. Fracassou para o hélio, com dois elétrons, porque Bohr não tinha como lidar com a repulsão entre eles. Não podia explicar a ligação química, o brilho relativo das linhas espectrais, ou por que um elétron salta em um instante e não outro. Quanto mais pesado o átomo, pior as previsões se tornaram.Artigo de Britannica sobre o modelo de Bohr. o
Arnold Sommerfeld, o homólogo de Bohr em Munique, patchou os patches. Em 1915 e 1916 ele substituiu os círculos de Bohr por elípticos, adicionou números quânticos separados para a forma e orientação da órbita, e dobrou na relatividade especial de Einstein. O modelo estendido explicou a estrutura fina do hidrogênio - os duplos estreitamente espaçados que a espectroscopia de alta resolução revela. Foi uma máquina melhor, mas ainda era uma máquina de órbitas, e experimentos estavam prestes a provar que as órbitas eram a metáfora errada.
Estocolmo já tinha notado. em 1922 Bohr recebeu oPrêmio Nobel de Física"por seus serviços na investigação da estrutura dos átomos e da radiação que emanam deles." Ele fundou o Instituto de Física Teórica em Copenhaga no ano anterior, e tornou-se um ímã para os físicos que terminariam o trabalho: Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, George Gamow, e um elenco rotativo de físicos jovens de toda a Europa.Instituto Niels Bohr, e oArquivo de Niels Bohrem Copenhague preserva os manuscritos de Bohr e correspondência, incluindo projetos dos papéis de 1913.
O fim do modelo de órbita veio rapidamente, entre 1925 e 1927. Heisenberg construiu a mecânica da matriz em 1925, abandonando trajetórias inteiramente. Erwin Schrödinger seguiu em 1926 com a mecânica de ondas e a equação que leva seu nome, em que o elétron é uma onda de dispersão em vez de uma partícula em um caminho. Os níveis de energia que Bohr tinha introduzido sobreviveram intactos - a equação de Schrödinger reproduz-los exatamente para hidrogênio - mas a órbita foi substituída por uma órbita, uma região de probabilidade onde o elétron é provável que seja encontrado.
O que não morreu: estados estacionários, energias discretas, e o salto em si - a única peça mais tarde a teoria não poderia remover. Cada livro de química que desenha cascas de elétrons está desenhando o balde de Bohr, geralmente sem dizer isso.
Bohr passou o resto de sua carreira trabalhando através do aftershock filosófico. Em 1927, em uma conferência em Como, ele introduziu a complementaridade: a matéria e a luz podem se comportar como ondas ou como partículas, mas não ambos no mesmo arranjo experimental. As duas descrições são mutuamente exclusivas, e juntos cobrem o que a medição pode mostrar. A complementaridade tornou-se a espinha dorsal do que é chamado livremente a interpretação de Copenhague, a família de pontos de vista desenvolvidos no instituto de Bohr.A Enciclopédia de Filosofia de Stanford sobre a Interpretação de CopenhagaÉ explícito que nunca foi uma única doutrina formal – foi uma filosofia de trabalho discutida em seminários, cartas e longas caminhadas.
O argumento mais famoso na história da física veio desta posição. Einstein aceitou que a mecânica quântica fez previsões precisas; ele se recusou a aceitar que a teoria era completa. Nas conferências de Solvay de 1927 e 1930, Einstein propôs experimentos de pensamento projetados para derrotar o princípio da incerteza. Bohr encontrou o defeito cada vez, e em 1930 ele usou a própria relatividade geral de Einstein para refutar um argumento de caixa de fótons. A reclamação de Einstein, escrita a Max Born em 1926, de que ele não podia acreditar que Deus joga dentes, é a linha que as pessoas lembram. A resposta de Bohr, em público e pessoalmente, foi que a mecânica quântica não era incompleta; era um tipo diferente de teoria do que Einstein queria que fosse.
Einstein agravou o desafio com Boris Podolsky e Nathan Rosen em 1935.O artigo EPR argumentou que a mecânica quântica forçou duas partículas distantes a influenciarem umas às outras instantaneamente, o que Einstein mais tarde chamou de "ação espantosa a uma distância."Revisão Física, insistindo que a mecânica quântica era consistente - estranho, mas completo para o que a física pode dizer.O argumento nunca realmente terminou.Uma longa série de experimentos de teste de Bell desde a década de 1970 favoreceu o quadro quântico sobre o realismo local de Einstein.
Bohr ainda tinha física nele. Em 1939, com John Wheeler, ele publicou o modelo líquido-drop de fissão nuclear, explicando como um núcleo de urânio pesado poderia vibrar, se dividir e liberar energia - apenas meses após a fissão ter sido descoberta. Quando a Alemanha ocupou a Dinamarca em 1940, Bohr permaneceu até 1943, depois fugiu para a Suécia, chegou à Grã-Bretanha, e se juntou ao Projeto de Manhattan sob o alias Nicholas Baker. Ele entendeu a política da bomba tão claramente quanto sua física, e passou seus últimos anos argumentando pela abertura e controle internacional da energia atômica, incluindo uma longa carta aberta para as Nações Unidas em 1950.
Bohr morreu em Copenhague em 18 de novembro de 1962. O elemento 107, bohrium, carrega seu nome. Seu monumento mais profundo é o que os estudantes de pintura encontram primeiro: o átomo como um conjunto de níveis de energia discretos e salpicáveis. Os físicos não acreditam que os elétrons viajem em pequenos trilhos ao redor do núcleo. Eles acreditam - porque Bohr mostrou-lhes - que o mundo atômico se move em passos.
Esta semana, faça uma coisa: sentar-se com o espectro de emissão de hidrogênio e as três regras de Bohr lado a lado, e descobrir por que o salto n = 3 para n = 2 produz luz vermelha.
Photo by Bamdad Norouzian on Unsplash