Az emberiség hosszú évezredeken át úgy gondolta, hogy az anyag legkisebb, oszthatatlan egysége az atom. Ez az elképzelés egészen a 19. század végéig tartotta magát, amikor is forradalmi felfedezések rázták meg a tudományos világot, és bebizonyosodott, hogy az atomok korántsem oszthatatlanok. Az egyik legfontosabb áttörés J.J. Thomson nevéhez fűződik, aki 1897-ben a katódsugarakkal végzett kísérletei során felfedezte az elektront, megnyitva ezzel az utat az atom belső szerkezetének megértéséhez. E felismerés nyomán született meg az atomok első tudományos modellje, amelyet ma "mazsolás puding" modellként ismerünk.
Az Elektron Felfedezése és az Atom Osztódása
Thomson 1897-ben katódsugárcsőben a katódsugarakat elektromos és mágneses mezőkkel eltérítette, és így kimérte a katódsugárzás fajlagos töltését, amely (\displaystyle \frac{e}{m}) volt. Ezzel eldőlt, hogy a katódsugárzás negatív töltésű, nagy sebességgel repülő részecskékből (korpuszkulákból) áll. Thomson ezeket elektronoknak nevezte el. A katód fémlemeze korlátlan mennyiségben képes volt katódsugárzást kibocsátani - ehhez csak az áramforrás feszültségét kellett biztosítani -, így ésszerű feltételezés volt, hogy az elektronok a katód fémlemezét felépítő atomok alkotórészei, eleve már benne vannak a fémben. Ráadásul minden fémben, hiszen katódsugárzást mindenféle fémből készített negatív elektróda kibocsátott.
A katódsugarakat valójában özönlő elektronok alkották. Thomson a kísérleteiben elektromosan gerjesztett, csőbe zárt gázokat. Egy ilyen eszköz látható a mellékelt fotón is. Valójában ez az eszköz éppen Thomsoné volt. A kísérletek során olyan sugarakat fedezett fel, melyek negatív töltésű részecskékből álltak. Arra gondolt, hogy ezek a részecskék nem a bulvársajtóból kerültek oda, hanem az atomok belsejéből. E sugarakat katódsugaraknak nevezte. Az emberiség történetében nagyon sokáig tartotta magát az, hogy az atomok oszthatatlanok. Thomson felfedezése nagyjából olyan hatású volt, mint az, ami Ózról, a nagy varázslóról kiderül a mese végén. Thomson 1906-ban kapta meg a Nobel-díjat, és apaként sem volt utolsó, mivel a fia is bezsebelt egyet 31 év múlva.
Ugyanakkor az is ismert volt, hogy az atomok (\approx 10^{-10}\ \mathrm{m}) átmérőjű, és az egyszerűség kedvéért gömb alakúnak képzelt objektumok és semlegesek. Úgyhogy a negatív elektronok mellett kell valamiféle pozitív töltésnek is lennie az atomban. Nem volt mese tehát, ki kellett találni, hogy az immár nem oszthatatlan atomokban miként élik hétköznapjaikat az izgága, negatív töltésű elektronok.
A Mazsolás Puding Modell Születése
Ezek alapján Thomson 1904-ben megalkotta az első tudományos atommodelljét. Úgy vélte, hogy az atom teljes térfogatát egyenletesen kitölti valami pozitív töltésű anyag - amit valamilyen, a folyadékok kohéziós erejéhez hasonló kölcsönhatás tart egyben -, és ebben valahogyan "úszkálnak" a negatív elektronok, amik ki is léphetnek belőle. Thomson elképzelése (atommodellje) az volt, hogy az elektronok egy, az atom belsejét kitöltő masszában vannak. Mivel az elektronok negatívak, az atom pedig semleges, a masszának pozitívnak kellett lennie.
Ez a modell hasonlít a mazsolás kalácsra vagy a Christmas Puddingra: a kalács tésztája a teljes térfogatot kitöltő pozitív "massza", a benne elszórtan található kis mazsolák pedig a negatív elektronok. Ezért ezt szokás az atomok "mazsolás kalács"- vagy "mazsolás puding" modelljének is nevezni. Vannak, akik szerint ez a puding nem mazsolás, hanem szilvás, és vannak olyanok is, akik kalácsot mondanak. A diákok még szeretik az atomokat és a "mazsolás puding" kifejezésre sokáig emlékeznek.
A Londoni Science Museumban fél évszázados modellek láthatók, melyek Thomson modelljének lényegét mutatják be. Aki szereti az édességet, bizonyára sok hasonlattal állhat elő. A vaníliás-mazsolás krémtúró sem rossz, de van, aki áfonyás muffinnak nevezi a modellt.
Az Elektronok Elrendeződése és Mozgása a Modellben
Több elektronos atom esetén úgy szokták ábrázolni, hogy a negatív elektronok az atom felszínén helyezkednek el. Egyrészt olyan megfontolásból, hogy az elektronok taszítják egymást, ezért próbálnak minél távolabb elhelyezkedni egymástól. Másrészt, hogy a gázkisülési cső katódjának fématomjaiból könnyen ki tudjanak lépni az elektronok. Azonban Thomson elképzelése szerint a pozitív töltésű "masszában" az elektronok könnyen (súrlódásmentesen) tudnak mozogni, és nemcsak a felszínen helyezkedhetnek el.
Thomson több lehetőséget is részletesen végigszámolt, keresve stabil elektronelrendeződéseket:
- Az elektronok az atomon belül térben elszórtan helyezkednek el, és csak rezgőmozgást végeznek, a saját egyensúlyi helyzetük körül.
- Az elektronok körpályákon keringenek a gömb alakú atom geometriai középpontja körül (atommagról még nem tudtak ekkoriban).
Thomson arra jutott, hogy az elektronok számának növelésekor az elektronok rendszere csak akkor lesz stabil, ha több, különböző sugarú pályán helyezkednek el vagy mozognak, tehát megsejtette az elektronhéjak létezését.
Thomson atommodellje
A Modell Magyarázatai és Hiányosságai
Az egyensúlyi helyzet körüli rezgőmozgás azért jó, mert a rezgő elektron - mint minden gyorsuló töltés - elektromágneses hullámokat sugároz. Thomson atommodellje számot tudott adni az atomok fénykibocsátásáról, vagyis az akkoriban az érdeklődés középpontjában álló jelenségről, hogy a gázkisülési csőben a gázok látványosan világítanak (emisszió). Továbbá, ha egy ilyen, Thomson-féle atomon áthalad egy elektromágneses hullám, akkor az elektron helyén időben periodikusan változó elektromos térerősség az elektront periodikusan megrángatja, ezáltal rezgésbe hozza, vagyis az elektron mozgási és elektromos potenciális energiára szert téve képes energiát elnyelni az elektromágneses hullámtérből. Ezzel tehát a modell a fényabszorpció jelenségét is értelmezni tudta. Sőt, mivel az elektron az egyensúlyi helyzete körül csak bizonyos sajátfrekvenciával tud rezegni - amelyet a töltés- és tömegelrendezés határoz meg -, ezért a gázok színképének vonalas jellegét is képes volt valamennyire magyarázni, ami pedig akkoriban érthetetlennek számított.
Az atommodell szerint az atomban egyenletesen oszlik el a tömeg nagy része, mely pozitív töltésű, és abban mozognak a kis tömegű elektronok. Alapállapotban az elektronok úgy oszlanak el, hogy a helyzeti energiájuk minimális legyen. Ha megzavarják az elektronokat, akkor rezegni kezdenek.
A Mazsolás Puding Modell Bukása
A rövid életű Thomson-atommodell halálát végül a szóráskísérletek hozták el, melyeket először Lenard elektronnal, majd Geiger és Marsden (Rutherford irányítása alatt) alfa-sugárzással végzett el. A Thomson-féle atommodell vagy más néven mazsolás puding modellje nem élt sokáig.
Philipp Lenard német fizikus cáfolta meg a Thomson-atommodellt, aki elektronokkal bombázott egy fémfóliát, amin eltérülés nélkül haladtak át az elektronok. A Rutherford-kísérlet vagy Geiger-Marsden kísérlet Ernest Rutherford vezetése alatt, a Manchesteri Egyetemen 1909 és 1911 között Hans Geiger és Ernest Marsden által elvégzett, az anyag szerkezetének felderítésére szolgáló szóráskísérletek elnevezése.
Rutherford 1909 és 1911 közt végzett kísérletei jelentős mértékben hozzájárultak az atom szerkezetének megismeréséhez. Híressé vált szórási kísérletében részecskékkel bombázott aranyfóliát. A fólián szóródott részecskéket szcintillációs ernyőn detektálták. A részecskék nagy része akadálytalanul áthatolt az aranyfüstlemezen, egy részük eltérült, és volt néhány részecske (körülbelül minden 10000-dik), amely közel 180 fokos eltérülést szenvedett.
Ha az atommag belsejében az anyag többé-kevésbé egyenletesen oszlana el az akkor leginkább elfogadott mazsolás puding modell szerint, akkor az alfa-részecskék a lemezen, bár lassulva, de eltérülés nélkül haladnának keresztül, hasonlóan, mint a puskagolyó a vízben. Az alfa-részecskéknél néha jelentős irányváltozás volt megfigyelhető. Rutherford szavait idézve: "Határozottan ez volt a leghihetetlenebb eredmény, amellyel életemben találkoztam. Majdnem olyan hihetetlen volt, mintha valaki egy 15 hüvelykes gránáttal egy selyempapír-darabkára tüzelne, és az visszatérve őt magát találná el."
Az eredményt nem lehetett a Thomson-modellel magyarázni. Rutherford a kísérletekből arra következtetett, hogy a részecske egy igen kis térrészben koncentrált pozitív töltésű részecskével ütközik, hiszen csak minden 10000-dik alkalommal figyelhető meg ez a jelenség. Tehát az atom tömegének legnagyobb része (99,98%-a) egy kicsi magban koncentrálódik.
A Rutherford-modell és a Klasszikus Elektrodinamika Problémái
1911 elején Rutherford publikálta módosított atommodelljét, a Rutherford-féle atommodellt. A megfigyelések szerint a szétszórt pozitív töltéssel rendelkező atom modellje helytelen volt, valójában a pozitív rész kis térfogatban összpontosul. Arra következtetett, hogy az atom döntő része üres, az atom nagy része egy kis térrészre, a magba koncentrálódik, és az elektronok ekörül a mag körül keringenek az elektrosztatikus vonzás hatására. Az atommag a mérésekből (10^{-15}) méter átmérőjűnek adódott egy (10^{-10}) méter átmérőjű atomban. Ez azt jelenti, hogy az atom belül szinte üres, hiszen az atommag nagyon kicsiny térrészben koncentrálódik. Rutherford atommodellje olyan, mint egy miniatűr Naprendszer, melynek középpontjában az atommag áll, és körülötte keringenek az elektronok, mint a Nap körül a bolygók. Ha az atom méretarányairól akarunk képet alkotni, akkor képzeljük a magot borsószem nagyságúnak.
Az atommodellel egy alapvető gond volt: az atommag körül keringő elektronoknak a klasszikus elektrodinamika szerint sugározniuk kell, mivel állandóan gyorsuló mozgást végeznek. Ennek következtében energiát veszítenek, ami miatt mind közelebb kerülnek az atommaghoz, és végül bele kellene zuhanniuk. Ez azt jelentené, hogy az atomok instabilak lennének, ami ellentmond a tapasztalatoknak.
A Bohr-modell: A Kvantummechanika Hajnala
A Bohr-féle atommodell a Rutherford-féle atommodell javított változata. A pozitívan töltött atommag körül keringenek az elektronok - hasonlóan a Naprendszerhez. Ez a modell sikeresen magyarázta a Rydberg-formulát és a hidrogén spektrumát, viszont más, finomabb részleteket azonban nem tudott megindokolni. Az elektron a proton körül körpályán mozog a klasszikus mechanika törvényei szerint. Az elektronok csak bizonyos megengedett sugarú pályákon keringhetnek, amelyeken nem sugároznak. Mivel az E energia ezeken a pályákon állandó, az elektron stacionárius állapotban van.
A stacionárius állapotok közti átmenetek úgy mennek végbe, hogy az elektron átugrik egyik állapotból a másikba, és eközben az atom elektromágneses hullámokat bocsát ki. A két energiaállapot közti különbség egyenlő a kibocsátott vagy elnyelt sugárzás energiakvantumával. Az első energiaszint sugara (r=0.0529\ \mathrm{nm}), ez a klasszikus Bohr-sugár. Eszerint a hidrogén legalacsonyabb energiaszintje -13,6 eV, a második -3,4 eV, a harmadik -1,5 eV és így tovább. A Rydberg-formula már a XIX. században ismert volt, kísérleti alapon jutottak el hozzá. Ahol (nf) jelöli a végső energiaszintet, a (ni) pedig a kezdetit.