ต้นศตวรรษที่ 20 เป็นช่วงเวลาที่เป็นมงคลสำหรับวิทยาศาสตร์ นอกเหนือจากเออร์เนสต์รูเทอร์ฟอร์ดและนีลส์บอร์ให้กำเนิดแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคแล้วมันยังเป็นช่วงเวลาแห่งความก้าวหน้าในด้านกลศาสตร์ควอนตัม ด้วยการศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่องนักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มเสนอทฤษฎีที่อนุภาคมูลฐานเหล่านี้ทำงานในลักษณะที่ท้าทายฟิสิกส์แบบนิวตัน
ตัวอย่างหนึ่งดังกล่าวคือ Electron Cloud Model ที่เสนอโดย Erwin Schrodinger ต้องขอบคุณแบบจำลองนี้อิเล็กตรอนจึงไม่ถูกอธิบายว่าเป็นอนุภาคที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสตรงกลางในวงโคจรคงที่ แต่ Schrodinger เสนอแบบจำลองโดยที่นักวิทยาศาสตร์สามารถคาดเดาได้เฉพาะตำแหน่งของอิเล็กตรอนเท่านั้น ดังนั้นที่ตั้งของพวกมันสามารถอธิบายได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของ 'เมฆ' รอบนิวเคลียสที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอน
ฟิสิกส์อะตอมสู่ศตวรรษที่ 20:
ตัวอย่างที่รู้จักกันเร็วที่สุดของทฤษฎีปรมาณูมาจากกรีกโบราณและอินเดียซึ่งนักปรัชญาเช่น Democritus ได้รับการกล่าวอ้างว่าสสารทั้งหมดประกอบด้วยหน่วยเล็ก ๆ แบ่งแยกไม่ได้และทำลายไม่ได้ คำว่า "อะตอม" ถูกประกาศเกียรติคุณในกรีซโบราณและก่อให้เกิดโรงเรียนแห่งความคิดที่เรียกว่า "อะตอม" อย่างไรก็ตามทฤษฎีนี้เป็นแนวคิดทางปรัชญามากกว่าแนวคิดทางวิทยาศาสตร์
จนกระทั่งศตวรรษที่ 19 ทฤษฎีของอะตอมได้กลายเป็นเสียงก้องเป็นเรื่องทางวิทยาศาสตร์โดยมีการทดลองตามหลักฐานครั้งแรก ตัวอย่างเช่นในช่วงต้นศตวรรษที่ 18 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษจอห์นดัลตันใช้แนวคิดของอะตอมเพื่ออธิบายว่าทำไมองค์ประกอบทางเคมีจึงมีปฏิกิริยาในรูปแบบที่สังเกตและคาดการณ์ได้ จากการทดลองเกี่ยวกับก๊าซหลายครั้งดัลตันก็ทำการพัฒนาสิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีอะตอมของดัลตัน
ทฤษฎีนี้ขยายตัวในกฎของการสนทนาของมวลและสัดส่วนที่แน่นอนและลงมาถึงสถานที่ห้า: องค์ประกอบในสภาพที่บริสุทธิ์ของพวกเขาประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่าอะตอม; อะตอมขององค์ประกอบเฉพาะนั้นเหมือนกันหมดไปจนถึงอะตอมสุดท้าย อะตอมของธาตุต่าง ๆ สามารถบอกได้ด้วยน้ำหนักอะตอม อะตอมขององค์ประกอบรวมตัวกันเป็นสารประกอบทางเคมี อะตอมไม่สามารถสร้างหรือถูกทำลายในปฏิกิริยาทางเคมีมีเพียงการจัดกลุ่มเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลง
การค้นพบของอิเล็กตรอน:
ในปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์เริ่มตั้งทฤษฎีว่าอะตอมประกอบด้วยหน่วยพื้นฐานมากกว่าหนึ่งหน่วย อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่กล้าที่หน่วยนี้จะเป็นขนาดของอะตอมที่รู้จักกันน้อยที่สุด - ไฮโดรเจน ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 เขาจะเปลี่ยนไปอย่างมากด้วยการวิจัยโดยนักวิทยาศาสตร์อย่างเซอร์โจเซฟจอห์นทอมสัน
จากการทดลองใช้หลอดรังสีแคโทด (รู้จักกันในชื่อ Crookes ’Tube) ทอมสันพบว่ารังสีแคโทดอาจเบี่ยงเบนไปจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก เขาสรุปว่าแทนที่จะประกอบด้วยแสงพวกมันประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบซึ่งมีขนาดเล็กกว่า 1ooo 1 เท่าและเบากว่าไฮโดรเจน 1,800 เท่า
สิ่งนี้พิสูจน์หักล้างความคิดได้อย่างมีประสิทธิภาพว่าอะตอมไฮโดรเจนเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสสารและ Thompson ก็ไปไกลกว่านี้เพื่อแนะนำว่าอะตอมนั้นสามารถแบ่งได้ เพื่ออธิบายค่าใช้จ่ายโดยรวมของอะตอมซึ่งประกอบด้วยประจุทั้งบวกและลบทอมป์สันเสนอแบบจำลองโดยที่ "corpuscles" ที่มีประจุลบถูกกระจายในทะเลที่มีประจุบวก - รู้จักกันในชื่อพลัมพุดดิ้ง
ศพเหล่านี้จะถูกเรียกว่า "อิเล็กตรอน" ในภายหลังตามทฤษฎีเชิงทฤษฎีที่นักฟิสิกส์แองโกล - ไอริชคาดการณ์ไว้จอร์จจอห์นสโตนสโตนนี่ในปี 1874 และจากนี้รูปแบบพลัมพุดดิ้งถือกำเนิดขึ้น เค้กลูกพลัมและลูกเกด แนวคิดได้รับการแนะนำให้รู้จักกับโลกในฉบับเดือนมีนาคม 1904 ของสหราชอาณาจักร นิตยสารเชิงปรัชญา เพื่อเสียงไชโยโห่ร้อง
การพัฒนารูปแบบมาตรฐาน:
การทดลองครั้งต่อมาเผยปัญหาทางวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งกับแบบจำลองพลัมพุดดิ้ง สำหรับผู้เริ่มมีปัญหาในการแสดงให้เห็นว่าอะตอมมีประจุพื้นหลังเป็นบวกซึ่งต่อมาถูกเรียกว่า "ปัญหาทอมสัน" ห้าปีต่อมาแบบจำลองจะถูกหักล้างโดย Hans Geiger และ Ernest Marsden ผู้ทำการทดลองหลายชุดโดยใช้อนุภาคอัลฟาและฟอยล์สีทอง - หรือที่รู้จัก “ การทดลองฟอยล์สีทอง”
ในการทดลองนี้ Geiger และ Marsden วัดรูปแบบการกระเจิงของอนุภาคแอลฟาด้วยหน้าจอเรืองแสง หากแบบจำลองของทอมสันถูกต้องอนุภาคแอลฟาจะผ่านโครงสร้างอะตอมของฟอยล์ที่ไม่มีข้อ จำกัด อย่างไรก็ตามพวกเขาตั้งข้อสังเกตว่าในขณะที่ยิงตรงส่วนใหญ่บางคนกระจัดกระจายไปในทิศทางต่าง ๆ กับบางคนกลับไปในทิศทางของแหล่งที่มา
Geiger และ Marsden สรุปว่าอนุภาคได้เผชิญกับแรงไฟฟ้าสถิตมากกว่าที่โมเดลของ Thomson อนุญาต เนื่องจากอนุภาคอัลฟาเป็นเพียงนิวเคลียสของฮีเลียม (ซึ่งมีประจุเป็นบวก) สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าประจุบวกในอะตอมไม่ได้กระจัดกระจายกันอย่างแพร่หลาย แต่กระจุกตัวในปริมาตรเล็กน้อย นอกจากนี้ความจริงที่ว่าอนุภาคเหล่านั้นที่ไม่ได้ถูกเบี่ยงเบนผ่านผ่านขัดขวางหมายความว่าพื้นที่เชิงบวกเหล่านี้ถูกแยกออกจากกันโดยอ่าวขนาดใหญ่ของพื้นที่ว่าง
ในปี 1911 Ernest Rutherford นักฟิสิกส์ได้ตีความการทดลองของ Geiger-Marsden และปฏิเสธแบบจำลองอะตอมของ Thomson แต่เขาเสนอแบบจำลองที่อะตอมประกอบด้วยพื้นที่ว่างส่วนใหญ่โดยมีประจุบวกทั้งหมดรวมอยู่ในจุดศูนย์กลางในปริมาตรเล็ก ๆ ที่ล้อมรอบด้วยกลุ่มอิเล็กตรอน เรื่องนี้เป็นที่รู้จักในนามรุทเธอร์เฟิร์ดโมเดลของอะตอม
การทดสอบครั้งต่อไปโดย Antonius Van den Broek และ Niels Bohr ได้ทำการปรับปรุงแบบจำลองต่อไป ในขณะที่ Van den Broek แนะนำว่าหมายเลขอะตอมของธาตุนั้นคล้ายกับประจุนิวเคลียร์มาก ๆ แต่อะตอมหลังเสนอรูปแบบคล้ายกับระบบสุริยะของอะตอมโดยที่นิวเคลียสมีจำนวนประจุบวกและล้อมรอบด้วยค่าที่เท่ากัน จำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกวงโคจร (aka. รุ่น Bohr)
แบบจำลอง Electron Cloud:
ในช่วงปี ค.ศ. 1920 นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียเออร์วินชโรดิงเงอร์เริ่มหลงใหลในทฤษฎีแม็กซ์พลังค์อัลเบิร์ตไอน์สไตน์นีลส์บอร์อาร์โนลด์ซอมเมอร์เฟลด์และนักฟิสิกส์คนอื่น ๆ ในช่วงเวลานี้เขายังมีส่วนร่วมในสาขาของทฤษฎีอะตอมและสเปกตรัมการวิจัยที่มหาวิทยาลัยซูริคแล้วมหาวิทยาลัยฟรีดริชวิลเฮล์มในเบอร์ลิน (ที่เขาประสบความสำเร็จในพลังค์ในปี 1927)
ในปี 1926 Schrödingerได้จัดการปัญหาเกี่ยวกับฟังก์ชั่นคลื่นและอิเล็กตรอนในชุดเอกสาร นอกเหนือจากการอธิบายสิ่งที่จะเป็นที่รู้จักในฐานะสมการชโรดิงเงอร์ - สมการเชิงอนุพันธ์ย่อยที่อธิบายถึงสถานะควอนตัมของระบบควอนตัมที่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา - เขายังใช้สมการทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายความเป็นไปได้ในการหาอิเล็กตรอน .
สิ่งนี้กลายเป็นพื้นฐานของสิ่งที่จะเป็นที่รู้จักในฐานะแบบจำลองอิเล็กตรอนคลาวด์ (หรือกลเชิงควอนตัม) เช่นเดียวกับสมการชโรดิงเงอร์ จากทฤษฎีควอนตัมซึ่งระบุว่าสสารทั้งหมดมีคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับฟังก์ชั่นคลื่นอิเลคตรอนเมฆแบบจำลองนั้นแตกต่างจากแบบจำลองของบอร์ในแบบที่มันไม่ได้กำหนดเส้นทางที่แน่นอนของอิเล็กตรอน
แต่มันทำนายตำแหน่งที่เป็นไปได้ของตำแหน่งของอิเล็กตรอนตามหน้าที่ของความน่าจะเป็น ฟังก์ชั่นความน่าจะเป็นโดยทั่วไปอธิบายภูมิภาคเหมือนเมฆที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอนดังนั้นชื่อ เมื่อเมฆมีความหนาแน่นมากที่สุดความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนนั้นยิ่งใหญ่ที่สุด และในกรณีที่อิเล็กตรอนมีโอกาสน้อยกว่าเมฆจะมีความหนาแน่นน้อยกว่า
บริเวณที่หนาแน่นเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ“ อิเล็กตรอนโคจร” เนื่องจากเป็นบริเวณที่มีโอกาสมากที่สุดที่จะพบอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ เมื่อขยายโมเดล“ คลาวด์” นี้ไปยังพื้นที่สามมิติเราจะเห็นอะตอมบาร์เบลล์หรือรูปดอกไม้ (ตามภาพด้านบน) ที่นี่การแตกแขนงออกเป็นภูมิภาคที่เรามักจะพบอิเล็กตรอนมากที่สุด
ต้องขอบคุณการทำงานของ Schrodinger นักวิทยาศาสตร์เริ่มเข้าใจว่าในขอบเขตของกลศาสตร์ควอนตัมมันเป็นไปไม่ได้ที่จะรู้ตำแหน่งที่แน่นอนและโมเมนตัมของอิเล็กตรอนในเวลาเดียวกัน โดยไม่คำนึงถึงสิ่งที่ผู้สังเกตรู้รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับอนุภาคพวกเขาสามารถทำนายตำแหน่งหรือโมเมนตัมที่ประสบความสำเร็จในแง่ของความน่าจะเป็นเท่านั้น
ในเวลาที่กำหนดพวกเขาจะสามารถตรวจสอบอย่างใดอย่างหนึ่ง ในความเป็นจริงยิ่งพวกเขารู้เกี่ยวกับโมเมนตัมของอนุภาคมากเท่าใดพวกเขาก็จะรู้น้อยลงเกี่ยวกับที่ตั้งและในทางกลับกัน นี่คือสิ่งที่เป็นที่รู้จักกันในปัจจุบันในฐานะ“ หลักการไม่แน่นอน”
โปรดทราบว่าวงโคจรที่กล่าวถึงในย่อหน้าก่อนหน้านั้นถูกสร้างขึ้นโดยอะตอมไฮโดรเจน (เช่นมีเพียงหนึ่งอิเล็กตรอน) เมื่อจัดการกับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากขึ้นบริเวณวงโคจรของอิเล็กตรอนจะกระจายอย่างสม่ำเสมอเป็นลูกบอลทรงกลมแบบฝอย นี่คือที่คำว่า 'อิเล็กตรอนเมฆ' เหมาะสมที่สุด
การมีส่วนร่วมนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นหนึ่งในการมีส่วนร่วมที่สำคัญของศตวรรษที่ 20 และเป็นสิ่งที่ก่อให้เกิดการปฏิวัติในสาขาฟิสิกส์กลศาสตร์ควอนตัมและวิทยาศาสตร์ทั้งหมด จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่ได้ทำงานในเอกภพที่โดดเด่นด้วยกาลเวลาและอวกาศ แต่ในความไม่แน่นอนเชิงปริมาณและสัมพัทธภาพอวกาศ!
เราได้เขียนบทความที่น่าสนใจมากมายเกี่ยวกับอะตอมและแบบจำลองอะตอมที่นี่ที่ Space Magazine นี่คือแบบจำลองอะตอมของ John Dalton คืออะไร, พลัมพุดดิ้งแบบคืออะไร, แบบจำลองอะตอมของ Bohr คืออะไร, ใครเป็นคนประชาธิปัตย์, และชิ้นส่วนของอะตอมคืออะไร?
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมอย่าลืมตรวจสอบ Quantum Mechanics คืออะไร? จากวิทยาศาสตร์สด
นักดาราศาสตร์ยังมีตอนในหัวข้อเช่นตอนที่ 130: วิทยุดาราศาสตร์ตอนที่ 138: กลศาสตร์ควอนตัมและตอนที่ 252: หลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก
