پیوند اتمی چیست و چه کسی نخستین بار آن را کشف کرد؟

سال اکتشاف: 1913

نخستین نظریهٔ عملی دربارهٔ آن‌که چگونه الکترون‌ها انرژی می‌گیرند، انرژی از دست می‌دهند و چگونه به دور هستهٔ اتم می‌چرخند.

چه کسی آن را کشف کرد؟

نیلز بور Niels Bohr

ماری کوری با اثبات وجود دنیای کوچک‌تر از اتم، قرن بیستم را آغاز کرد. اینشتین، دیراک، آیزنبرگ، بورن، راترفورد و دیگران توضیحات نظری درباره دنیای کوچک‌تر از اتم ارائه کردند. اما اثبات این نظریه‌ها مدت زمان طولانی به درازا کشید.

نخستین بار نیلز بور الگوی چرخش حرکت، جابجایی و انتقال انرژی الکترون‌ها به دور هسته اتم را ارائه داد. نظریه بور برخی از نواقص و عدم هماهنگی‌هایی را که در ساختمان و عملکرد اتم‌ها وجود داشت رفع کرد. او تجربه‌های مستقیم خود را با نظریه‌های پیشرفته زمان را در هم آمیخت تا مفهوم درستی از عملکرد الکترون‌ها ارائه کند.

در ۱۹۱۲، نیلز بور فقط ۲۶ سال داشت و جوان‌تر از آن بود که پا به دنیای تناقضات داغ فیزیک بگذارد. اما بهار آن سال به سمت استاد فیزیک دانشگاه کپنهاگ منصوب شد. بور متوجه شده بود که نظریه اتمی با داده‌های جدید تجربی درباره اتم همخوانی ندارد. یکی از آزمایش‌های بور توانست نظریه‌های کلاسیک درباره الکترون‌ها را رد کند. بر اساس این نظریه الکترون‌ها در گردش به دور اتم انرژی از دست می‌دهند و سرانجام به طور مارپیچ می‌چرخند و به هسته اتم برخورد می‌کنند. اما این اتفاق عملاً نمی‌افتاد. اتم‌ها دارای ثبات بودند. بور متوجه شد که این نظریه دارای ایراد است.

برای دیدن اتم عملاً راهی وجود نداشت. دانشمندان می‌باید در تاریکی در صدد اثبات نظریه‌های خود برآیند و به دنبال علایم و شواهد غیرمستقیم باشند.

آزمایش‌ها بر روی اتم، کوهی از داده‌ها را جمع‌آوری کرده بود. ذراتی که از برخورد اتم‌ها حاصل شده بود به ثبت رسیده بود. زاویه دور شدن این ذرات از محل برخورد و سطح انرژی‌الکتریکی اندازه‌گیری شده بود. اما فقط اندکی از این اطلاعات با نظریه اتمی هماهنگی داشت.

بور در سال ۱۹۱۳ به دو مقاله تجربی برخورد. اول، انریکو فری کشف کرده بود که اتم‌ها همیشه یک مقدار ناچیز ولی معین، انرژی را منتشر (منفجر) می‌کنند. او این انفجار انرژی‌زا را کوانتای انرژی نامید.

دوم، شیمی‌دان‌ها مقدار انرژی را که هر اتم منتشر می‌کند مطالعه کرده بودند و متوجه شدند اگر این پرتو را از منشوری عبور دهند، سطح طیف فرکانس‌ها به طور کامل یکسان نخواهد بود، بلکه در نقاط مشخصی فرکانس‌ها تجمع می‌کنند. عناصر متفاوت در این نقاط مشخص، الگوهای متفاوتی را به نمایش می‌گذارند، هیچ‌کدام از این مقاله‌های تجربی با نظریه‌های موجود هماهنگی نداشتند.

بور این داده‌های ظاهراً نامربوط و متفاوت را مطالعه و مقایسه کرد، در حالی که می‌دانست داده‌ها می‌باید به نحوی با هم ارتباط داشته باشند زیرا آن‌ها از یک منبع، یعنی اتم، برخاسته‌اند.

بور در طول هشت ماه داده‌ها را از نو بررسی کرد و سعی کرد راهی پیدا کند تا داده‌های تجربی را با نظریه‌های اتمی منطبق کند. اواخر همان سال به انگاره‌ای انقلابی رسید: الکترون‌ها آن طور که قبلاً تصور می‌شد نمی‌باید آزادانه به هر سو که می‌خواهند بروند.

او اعتقاد داشت که الکترون‌هایی که دور هسته اتم می‌چرخند فقط می‌توانند در مداری معین، مجزا و ثابت گردش کنند. الکترون برای آن‌که بتواند به مدار نزدیکتری از هسته اتم جهش کند می‌باید مقدار معینی انرژی از دست بدهد (یک کوانتا انرژی تابشی). اگر الکترون بخواهد به مدار بالاتر جهش کند می‌باید مقدار ثابتی انرژی جذب نماید. الکترون‌ها نمی‌توانند به هر جا که می‌خواهند بروند و هر مقدار انرژی که بخواهند حمل نمایند. الکترون‌ها می‌باید در یکی از مدارهای بخصوص باشند و می‌توانند کوانتای بخصوصی انرژی کسب کنند یا از دست بدهند.

مدل اتمی بور به انگاره‌ای انقلابی بود و کاملاً از انگاره‌های قبلی فاصله گرفته بود. معهذا با مشاهدات تجربی همخوانی داشت و تمام ناهماهنگی‌های نظریه‌های قبلی را هم برطرف کرد. این مدل شرح می‌داد که چگونه و چرا عناصر شیمیایی با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

کشف بور، بلافاصله از طرف مجامع علمی پذیرفته شد و تا ۵۰ سال بعد الگوی پذیرفته شده اتم و گردش الکترون‌ها به دور آن بود.

در طی جنگ جهانی دوم، نیلز بور به طور محرمانه در آزمایشگاه لوس‌آلاموس نیومکزیکو بر روی پروژه مانهاتن (نام رمزی ساخت بمب اتم در طی جنگ جهانی دوم) کار می‌کرد.