Atomiteorian tarina osa 6. Kvanttimekaaninen atomimalli
Juttasarjamme viimeisimmässä osassa toteamme Niels Bohrin johdolla Rutherfordin atomimallin puutteelliseksi ja esittelemme nykyisin käytetyn kvanttimekaanisen atomimallin.
Kuva: “Kvanttimekaniikan puuhamiehet.” Tehnyt Pekka Isometsä
Tarina kertoo, että nuori Niels Bohr oli käymässä vieraana Rutherford-instituutissa 1913 ja esitti seuraavan kysymyksen: ”Miksi elektronit eivät välittömästi syöksy positiiviseen atomiytimeen sähkövoimasta johtuen?”
Vastaus voisi olla, että elektronit kiertävät positiivista ydintä kuin planeetat aurinkoa, mutta tässä tapauksessa eräs seikka on kyseenalainen. Nimittäin elektronien pitäisi menettää koko ajan energiaa sähkömagneettisina aaltoina ja luhistua kohti positiivista ydintä.
Tämän ongelman pohjalta Niels Bohr lähti kehittelemään Rutherfordin atomimallia eteenpäin käyttäen apunaan valon kvanttiteoriaa. Hän huomasi, että vedyn spektriviivat osoittavat tiettyjä energiatiloja. Elektroni voi siis olla vain tietyillä radoilla atomiytimen ympärillä, mutta miksi näin. Miksei mikä tahansa rata käy?
Bohr vastasi tähän radikaalilla ratkaisulla: ”Selittämättömästä syystä atomissa ei päde aikaisemmat lainmukaisuudet.” Perustan Bohrin atomimallille muodostavat kaksi postulaattia eli oletusta.
Ensimmäisen Bohrin postulaatin mukaan atomissa on jokaisella elektronilla mahdollisuus säteilemättä ja energiaa menettämättä kiertää tiettyjä ratoja. Toinen postulaatti taas sanoo, että jos elektroni tippuu ylemmältä (energiarikkaammalta) radalta alemmalle (energiaköyhemmälle) radalle, silloin atomi säteilee energioiden erotuksen valohiukkasena eli fotonina.
Louis de Broglie osoittaman aalto-hiukkasdualismin seurauksena ja pääasiassa Werner Heisenbergin ja Erwin Schrödingerin toimesta kehitetty kvanttiteoria selitti lopulta Bohrin postulaattien perustan.
Elektronit eivät putoa atomien ytimiin, koska ne ovat pienien varauksellisten kappaleiden sijaan eräänlaisia todennäköisyysaaltoja, jotka ovat levittyneet orbitaaleiksi atomin positiivisen ytimen ympärille.
Näiden orbitaalien muoto oli laskettavissa Schrödingerin aaltoyhtälöstä:
Kuva: Atomi orbitaaleja via Wikipedia Commons.
Tätä atomiorbitaaleista ja ytimestä koostuvaa atomimalli kutsutaan kvanttimekaaniseksi atomimalliksi ja se on tällä hetkellä ihmiskunnan tarkin atomia käsittelevä teoria.
Atomiteoria -sarjan Aiemmin ilmestyneet jutut ovat luettavissa Luovan Atomeja ja molekyylejä -osiossa.
Sarjan idea sekä teksti pohjautuu Iivari Ylisen atomiteoriaa käsittelevään tekstiin, joka kirjoitettiin osana Helsingin yliopiston Kemian opettajankoulutusyksikön järjestämää Media ja monilukutaito tiede- ja teknologiakasvatuksessa -kurssia keväällä 2015