10ニールス・ボーアの原子理論の弱点、原子研究におけるその限界を知る

原子のイラスト(デポジット写真)

ジョグジャカルタ-ニールスボーア原子理論は、現代物理学の発展における重要なマイルストーンの1つです。この理論は、1917年にデンマークの科学者であるニールス・ヘンリック・デビッド・ボーアによって、アーネスト・ラザフォードの原子モデルの修正として提案されました。

ラザフォードのモデルは以前、ネガティブな負荷電子に囲まれたポジティブな負荷原子コアの概念を導入していました。しかし、このモデルは、電子がコアの周りにどのように配置および移動するかを詳細に説明することはできませんでした。

ボーアは、電子が軌道または原子皮と呼ばれる特定の軌道のコアの周りを移動し、各軌道は固定レベルのエネルギーを持っていると述べて改善を提供します。このモデルは、水素原子のスペクトルを適切に説明し、原子構造の早期理解の基盤となることに成功しています。

しかし、科学が発展するにつれて、このモデルのさまざまな弱点が明らかになり始めています。現代の量子力学は、原子の動作のより正確な説明を提供できるため、ボーアモデルに取って代わりました。スーパー化学クラスからの報告、ニールス・ボーアの原子理論の弱点を以下に示します。

ボーアモデルの最も根本的な弱点は、単純な水素またはイオニオン原子のような単一の電子を持つシステムにのみ適用されることです。複数の電子を持つ原子では、電子間の相互作用が非常に複雑になり、ボーアモデルでは説明できません。その結果、このモデルは、より大きな原子のスペクトルと動作を予測できませんでした。

ボーアモデルは確かに水素スペクトル線を説明することができますが、より小さな詳細を解読することはできません。この現象の説明には、より高度な量子力学理論が必要です。

ボーアは、電子が正確な位置とエネルギーで固定トラックで移動しているかのように説明します。この概念は、粒子の位置と勢いを同時に正確に知ることはできないと述べているハイゼンバーグの不確実性原則に反しています。

実際には、電子機器は特定の軌道ではなく、確率領域にあります。

ボーアのモデルは、電気地形や磁場が原子にどのように影響するかを説明することはできません。スターク効果(電気地形によるスペクトルラインの変更)やゼマン効果(磁場によるスペクトルラインの変更)などの現象は、このモデルでは説明できません。

量子機械では、そのような影響は磁気量子数の概念を通して説明することができる。

エレクトロンスピンは、原子内の電子の動作を決定する上で非常に重要な本質的な角度からの勢いです。このスピンは、原子内に4つの同じ量子共有量を持つ2つの電子はないと述べているパウリ除外原則において大きな役割を果たしています。

ボーアは、軌道間の電子移動は特定のエネルギージャンプでのみ起こると説明したが、エネルギー移行プロセスがどのように行われたかは詳細には説明しなかった。

より複雑な原子については、この簡素化は、推定性とマルチ電子相互作用の性質を無視するため、モデルを不十分にします。

ボーアモデルには、特に複雑なシステムにおいて、原子の行動を正確に記述するのに十分な数学的装置が装備されていません。アーウィン・シュロディンガーが波の方程式を解明して初めて、原子構造の理解がより包括的になりました。

ボーアのモデルは古典的なメカニズムに基づいて構築され、アインシュタイン理論の相対効果は含まれていませんでした。実際、光速近くで移動したり、高エネルギーを持ったりする粒子では、相対効果が重要になります。これにより、ボーアのモデルを高エネルギー物理学研究に適用することは不可能です。

ボーアはエレクトロンを粒子としてのみ見ているので、波の性質を無視しています。ルイ・デ・ブローリーが提唱した波の二元性の原則は、電子にも波の性質があることを示唆しています。

この事実は、原子の行動をより正確に記述することができる現代の量子力学の基礎となった。

ボーアは、電子エネルギーのレベルを説明するために主要な量子番号(n)のみを導入しました。実際、現代の量子機械は、電子の位置と性質を詳細に説明するために完全な量子番号を使用しています。

使用される量子数値は、現代の量子メカニズム、すなわちメイン量子、コーナー勢力、磁気、およびスピンです。これらの4つの数値は、原子構造のより詳細な説明を可能にする。

多くの弱点にもかかわらず、ボーアの原子理論は物理学的発展の歴史における重要な柱の1つであり続けています。このモデルは、シュロッディンガー波機械や現代の量子原子モデルなどのより高度な理論の誕生を引き起こす第一歩です。