นีลส์ บอร์ ผู้คิดค้นวงโคจรเชิงควอนตัมของอิเล็กตรอน
ทฤษฎีควอนตัม (Quantum Theory) เป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ของอนุภาคเล็กๆและอะตอมได้เป็นอย่างดี มันถือกำเนิดขึ้นมาในช่วงปี ค.ศ. 1890- 1910 และได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องมาจนถึงทุกวันนี้
ก้าวกระโดดสำคัญที่สุดครั้งหนึ่ง เกิดขึ้น ในปี ค.ศ. 1913
เมื่อนีลส์ บอร์ (Niels Bohr) นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก เสนอแบบจำลองอะตอมที่อธิบายเส้นเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนและการทดลองต่างๆได้อย่างกว้างขวาง ถึงขั้นที่อัลเบิร์ต ไอน์ส ไตน์มองว่าผลงานของนีลส์ บอร์ นั้นเป็นเหมือนปาฏิหาริย์
ก่อนหน้างานวิจัยของนีลส์ บอร์ ไม่นานนัก
เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ-นิวซีแลนด์ เสนอว่าอะตอมประกอบด้วยก้อนประจุบวกอัดแน่นอยู่ตรงกลาง มีอิเล็กตรอนประจุลบวิ่งวนอยู่รอบๆ คล้ายกับดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์
แต่ปัญหาคือ ทำไมอิเล็กตรอนโคจรไปรอบๆได้ ทั้งที่ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบฉบับบ่งชี้ว่า อิเล็กตรอนที่วิ่งวนจะมีการแผ่รังสีออกมาอย่างต่อเนื่อง และเมื่อมันแผ่รังสีออกมา มันจะสูญเสียพลังงานจนวงโคจรเล็กลงๆและตกเข้าสู่ก้อนประจุบวกตรงกลางในที่สุด ถ้าเป็นเช่นนั้น สสารต่างๆย่อมไม่มีเสถียรภาพ ซึ่งไม่สอดคล้องกับความเป็นจริง
นีลส์ บอร์ นักฟิสิกส์ในวัย 28 ปี
มาพร้อมกับคำตอบที่ปฏิวัติโลกฟิสิกส์
เขาเสนอว่า อิเล็กตรอนที่โคจรรอบอะตอมนั้นจะโคจรด้วยวงโคจรแบบพิเศษส่งผลให้มันมีโคจรอย่างมีเสถียรภาพ (stationary orbits) โดยไม่ปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา
เขาทำการคำนวณโดยเริ่มจากการประมาณว่านิวเคลียสมวลมากกว่าอิเล็กตรอนอย่างมหาศาล ทำให้นิวเคลียสหยุดนิ่งอยู่ตรงกลางอะตอม ส่วนอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสเป็นวงกลม ด้วยพลังงานค่าหนึ่ง ซึ่งเขาสามารถคำนวณหาค่าพลังงานในวงโคจรพิเศษได้ด้วยฟิสิกส์แบบฉบับ!
แนวคิดของ นีลส์ บอร์ จึงเป็นเหมือนรอยต่อระหว่างโลกฟิสิกส์แบบคลาสสิกและโลกควอนตัม
สิ่งที่น่าทึ่งเกิดขึ้นเมื่อเขาอธิบายว่าอิเล็กตรอนจะปลดปล่อย (หรือดูดกลืน) พลังงานก็ต่อเมื่อมันเกิดการเปลี่ยนระดับพลังงานระหว่างวงโคจรพิเศษ ซึ่งเมื่อคำนวณแล้วจะสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้อย่างครอบคลุมทุกช่วงความยาวคลื่น
กล่าวคือ ผลจากทฤษฎีของนีลส์ บอร์ นอกจากจะใช้อธิบายเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่มีการค้นพบมาแล้ว ยังทำนายสเปกตรัมอื่นๆที่ยังไม่มีการค้นพบได้อย่างถูกต้อง*
อีกทั้งยังใช้อธิบายธรรมชาติสเปกตรัมของไอออนที่มีอิเล็กตรอนเดียว เช่น He+ และ Li++ ได้ด้วย
การทดลองอื่นๆที่เกิดขึ้นในช่วงเวลานั้น เช่น การทดลองของ James Frank และ Gustav Hertz ที่ยิงอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากใส่ไอปรอท ก็พบว่าอิเล็กตรอนชนแล้วถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนของไอปรอทได้เพียงบางค่า แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนของไอปรอทมีระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งสอดคล้องกับแนวคิดเรื่องวงโคจรพิเศษของนีลส์ บอร์
การทดลองของ James Frank และ Gustav Hertz
ความท้าทายที่ยังรออยู่คือ แม้แบบจำลองของนีลส์ บอร์ อธิบายตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนได้
แต่ยังไม่สามารถอธิบายความเข้มที่แตกต่างกันของเส้นสเปกตรัมแต่ละเส้นได้ อีกทั้งนักฟิสิกส์ยังต้องการทฤษฎีที่ใช้อธิบายพันธะเคมีระหว่างอะตอมด้วย
ทฤษฎีที่อธิบายปรากฏการณ์เหล่านี้กำลังจะเกิดขึ้น ในช่วงเวลาถัดจากนี้ไม่นานนัก แต่ก่อนจะไปถึงตรงนั้น เรามาทบทวนความรู้ที่นักฟิสิกส์มีในปี ค.ศ. 1913 กันก่อน
ในตอนนั้น โลกฟิสิกส์ได้รู้จักกับ
- แนวคิดที่พลังงานมีลักษณะเป็นก้อนๆไม่ต่อเนื่อง
โดย มักซ์ พลังค์
- แนวคิดที่แสงมีธรรมชาติเหมือนกับก้อนอนุภาค
โดย ไอน์สไตน์
- แนวคิดที่ระดับพลังงานในอะตอมมีค่าไม่ต่อเนื่อง
โดย นีลส์ บอร์
ทั้งหมดนี้ เป็นแนวคิดที่กลายเป็นรากฐานสำคัญให้กับ กลศาสตร์ควอนตัมที่แท้จริง ซึ่งนีลส์ บอร์เองถึงขั้นกล่าวว่า "ผู้ที่ไม่ตกใจสุดขีดไปกับทฤษฎีควอนตัม แปลว่ายังไม่เข้าใจมัน"
“Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it.”
เหตุใดมันจึงกลายเป็นทฤษฎีที่น่าตกตะลึงถึงขนาดนั้น
ผมจะเริ่มต้นจากสมมุติฐานประหลาดในปี ค.ศ. 1923 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสผู้เชื่อว่า สสารอย่างอิเล็กตรอนอาจแสดงสมบัติของคลื่นได้!
- 9
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
