Du kan söka efter en bild av en atom på internet och du hittar en, även om ingen faktiskt har sett en atom tidigare. Men vi har en uppskattning av hur en enskild atom ser ut på grund av arbetet från ett gäng olika forskare som den danske fysikern Niels Bohr.
Atomer är materiens byggstenar - en enda atom av varje enskilt element är den mest grundläggande enheten i naturen som fortfarande följer fysikens regler vi kan observera i vardagen (de subatomära partiklarna som utgör atomer har sina egna speciella regler) . Forskare misstänkte att atomer existerade under en lång tid innan de kunde föreställa sig sin struktur - till och med de gamla grekerna ansåg att universums materia bestod av komponenter så små att de inte kunde brytas ner till något mindre, och de kallade dessa grundläggande enheter atomos , vilket betyder "odelat". I slutet av 1800-talet förstod man att kemiska ämnen kunde brytas ner till atomer, som var mycket små och atomer av olika grundämnen hade en förutsägbar vikt.
Men så, 1897, kom den brittiske fysikern J.J. Thomson upptäckte elektroner - negativt laddade partiklar inuti atomerna som alla hade tillbringat mer än ett sekel i att tro var helt odelbara - som de minsta saker som fanns. Thomson antog bara att elektroner fanns, men han kunde inte räkna ut exakt hur elektroner passade in i en atom. Hans bästa gissning var "plommonpuddingmodellen", som avbildade atomen som en positivt laddad paj översållad med negativt laddade områden utspridda som frukt i en gammaldags efterrätt.
"Elektroner visade sig vara negativa elektriska, och alla med samma massa och mycket små jämfört med atomer", säger Dudley Herschbach, en Harvard-kemist som delade Nobelpriset i kemi 1986 för sina "bidrag om dynamiken i kemiska elementära processer ", i ett mejl. "Ernest Rutherford upptäckte kärnan 1911. Kärnorna var positiva elektriska, med olika massor men mycket större än elektroner, men ändå väldigt små i storlek."
Niels Bohr var Rutherfords elev som lekfullt tog över sin mentors projekt att dechiffrera atomens struktur 1912. Det tog honom bara ett år att komma på en fungerande modell av en väteatom.
"Bohrs modell från 1913 för väteatomen hade cirkulära elektronbanor runt protonen - som jorden kretsar runt solen", säger Herschbach. "Bohr hade använt sig av ett enkelt och regelbundet mönster för väteatomens spektrum, som hade hittats av Johann Balmer 1885. Han använde sig också av idén om kvantidén, som hittades av Max Planck 1900."
År 1913 var Bohrs modell ett stort steg framåt eftersom den inkorporerade egenskaper hos den nyfödda kvantmekaniken i beskrivningen av atomer och molekyler. Det året publicerade han tre artiklar om konstitutionen av atomer och molekyler:Den första och mest kända ägnades åt väteatomen och de andra två beskrev några element med fler elektroner, med hjälp av hans modell som ramverk. Modellen han föreslog för väteatomen hade elektroner som rörde sig runt kärnan, men bara på speciella spår med olika energinivåer. Bohr antog att ljus sänds ut när en elektron hoppade från ett spår med högre energi till ett spår med lägre energi - det var det som fick väte att glöda i ett glasrör. Han fick vätgas rätt, men hans modell var lite problematisk.
"Modellen misslyckades med att förutsäga det rätta värdet av grundtillståndsenergierna för många elektronatomer och bindningsenergierna för molekylerna - även för de enklaste 2-elektronsystemen, som heliumatomen eller en vätemolekyl", säger Anatoly Svidzinsky , professor vid Institutet för kvantvetenskap och teknik vid Texas A&M, i en e-postintervju. "Så, redan 1913 stod det klart att Bohrs modell inte är helt korrekt. Även för väteatomen förutsäger Bohrs modell felaktigt att atomens grundtillstånd har en orbital rörelsemängd som inte är noll."
Vilket, naturligtvis, kanske inte är så vettigt för dig om du inte är en kvantfysiker. Bohrs modell var dock snabbspårad för att få ett Nobelpris i fysik 1922. Men även när Bohr stärkte sitt rykte inom fysikens värld, förbättrade forskare hans modell:
"Bohrs modell för väteatomen förbättrades av Arnold Sommerfeld 1916", säger Herschbach. "Han hittade elliptiska banor som stod för spektralinjer i närheten av de som hade kommit från cirkulära banor. Bohr-Sommerfeld-modellen för väteatomen är grundläggande, men kvant och relativitet blev viktiga aspekter."
Mellan 1925 och 1928 utvecklade Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli, Erwin Schrodinger och Paul Dirac dessa aspekter långt bortom Bohrs atommodell, men hans är den överlägset mest erkända modellen av en atom. Atommodellerna kvantfysiken har gett oss ser mindre ut som en sol omgiven av elektronplaneter och mer som modern konst. Det är troligt att vi fortfarande använder Bohr-modellen eftersom det är en bra introduktion till begreppet en atom.
"1913 visade Bohrs modell att kvantisering är en rätt väg att gå i beskrivningen av mikrovärlden", säger Svidzinsky. "Därmed visade Bohrs modell forskarna en riktning att söka och stimulerade vidareutvecklingen av kvantmekaniken. Om du känner till vägen kommer du förr eller senare att hitta den rätta lösningen på problemet. Man kan tänka på Bohrs modell som en av de vägbeskrivningsskyltar längs en vandringsled in i kvantvärlden."
Nu är det intressantNiels Bohrs far, Christian Bohr, nominerades till tre olika Nobelpriser i medicinens fysiologi, även om han aldrig vann.
