Bohr Modeli1913, Kopenhag

Hidrojenin dört renkli parmak izi

İnce bir tüpteki hidrojenden elektrik geçirip ışığını bir prizmadan geçirirsen gökkuşağı görmezsin: karanlık bir zeminde kırmızı, camgöbeği, mavi ve mor dört ince çizgi görürsün. 1913'te 27 yaşındaki Niels Bohr, bu çizgilerin yerini tek bir formülle ve yalnızca doğa sabitleriyle hesapladı. Bunun için klasik fiziğin iki kuralını bilerek çiğnemesi gerekti.

Bohr'un fikrine göre elektron çekirdeğin çevresinde ancak belirli "basamaklarda" durabilir. Bir basamaktan aşağı indiğinde aradaki farkı tek bir ışık paketi olarak yayar. Basamaklar sabit olduğu için renkler de sabittir; bir merdivenin basamak aralıkları gibi.

Bohr iki varsayım yaptı: elektron açısal momentumu ħ'nin tam katı olan yörüngelerde ışımadan dolanır, ve bir yörüngeden ötekine geçerken farkı hν = Eüst − Ealt enerjili tek bir foton olarak alır ya da verir. Buradan Rydberg sabiti R = mₑe⁴/(8ε₀²h³c) çıkar; Bohr'un 1913'te elindeki sabitlerle bulduğu değer, gözlenenle deneysel hata payı içinde uyuşuyordu.

Modelin hikâyesi

1885 · Basel

Bir kız lisesi öğretmeni ve dört sayı

Johann Jakob Balmer altmış yaşına yaklaşmış bir matematik öğretmenidir; Basel'deki kız lisesinde ders verir. Meslektaşı Eduard Hagenbach'ın cesaretlendirmesiyle Ångström'ün ölçtüğü dört hidrojen çizgisine bakar ve hepsine uyan bir kural bulur: dalga boyu, sabit bir "temel sayı" çarpı m²/(m² − 4).

Uyum çarpıcıdır. Kırmızı çizgi için formül 6562,08, ölçüm 6562,10 ångström verir. Balmer beşinci bir çizgiyi 3969,65 Å'da öngörür. Hagenbach ona bu çizgilerin, Vogel'in laboratuvarda ve Huggins'in beyaz yıldızlarda ölçtüğü mor ve morötesi çizgiler arasında zaten bulunduğunu söyler.

Temel sayı h = 3645,6 Å, serinin sınırıdır: m → ∞. Balmer formülün genel biçimini m²/(m² − n²) olarak da yazdı ve n = 1, 3, 4 için başka seriler olabileceğini tahmin etti. Bu seriler 1906–1924 arasında bulundu (Lyman, Paschen, Brackett, Pfund).

Kaynak: Balmer, Ann. Phys. Chem. 25, 80 (1885; önce Verh. Naturforsch. Ges. Basel 7, 548)

1888–1890 · Lund

Dalga boyu yerine dalga sayısı

İsveçli Johannes Rydberg, alkali metallerin tayflarındaki serileri incelerken dalga boyu yerine onun tersini, dalga sayısını kullanır. O zaman her çizgi iki terimin farkı olarak yazılabilir. Bütün elementlerde aynı çıkan bir sabit vardır: bugün onun adını taşıyan Rydberg sabiti.

Hidrojen için 1/λ = R (1/n₁² − 1/n₂²). Balmer formülü bunun n₁ = 2 durumudur ve R = 4/h olur. Rydberg formülü 1888'in sonlarında buldu; uzun makalesi 1889'da İsveç Bilimler Akademisi'ne sunuldu ve 1890'da yayımlandı.

Kaynak: Rydberg, Kongl. Svenska Vet.-Akad. Handl. 23, No. 11 (1890); Phil. Mag. 29, 331 (1890)

1896 · Harvard

Bir yıldızda tuhaf çizgiler

Harvard Gözlemevi'nde Williamina Fleming, ζ Puppis yıldızının tayfında Balmer serisine benzeyen ama onun arasına düşen çizgiler bulur. Gözlemevinin müdürü Edward Pickering onları "başka yıldızlarda ya da yeryüzünde henüz bulunmamış bir elemente" bağlar ve değiştirilmiş bir Balmer formülüyle tarif eder.

Sonradan bu çizgiler, sanki "yarım tamsayılı" Balmer çizgileriymiş gibi hidrojene yorumlandı. 1912'de Alfred Fowler, hidrojen ve helyum karışımı tüplerde güçlü bir boşalma ile benzer çizgileri ve 4686 Å'daki parlak bir çizgiyi laboratuvarda elde etti.

Kaynak: Pickering, Astrophys. J. 4, 369 (1896) ve 5, 92 (1897); Fowler, MNRAS 73, 62 (1912); Fleming'in rolü için arXiv:2402.14734

1911–1912 · Cambridge, Manchester

Çekirdekli atom, çökmesi gereken atom

Ernest Rutherford 1911'de atomun kütlesinin çok küçük bir çekirdekte toplandığını gösterir. Bu atomun klasik fizikte büyük bir sorunu vardır: çekirdeğin çevresinde dönen elektron ivmelenir, ivmelenen yük ışık yayar, enerji kaybeden elektron da sarmal çizerek çekirdeğe düşmelidir.

Bohr doktorasını bitirince 1911 sonbaharında Cambridge'e, J. J. Thomson'ın yanına gider. 1912 Mart'ında Manchester'a, Rutherford'un laboratuvarına geçer ve Temmuz sonuna kadar orada kalır.

Bohr 1913 makalesinde çöküş için bir süre vermez; yalnızca elektronun "giderek küçülen yörüngeler" üzerinde çekirdeğe yaklaşacağını ve sıradan moleküler süreçlere göre muazzam bir enerji yayacağını yazar. Bugün ders kitaplarında verilen yaklaşık 10⁻¹¹ s, Larmor formülüyle yapılan modern bir tahmindir (Deney sekmesindeki "Klasik atom").

Kaynak: Rutherford, Phil. Mag. 21, 669 (1911); Bohr, Phil. Mag. 26, 1 (1913); Nobel biyografisi (nobelprize.org)

Şubat 1913 · Kopenhag

"Balmer formülünü görür görmez"

Bohr aylardır atomların büyüklüğü ve kimyasal özellikleri üzerinde çalışmaktadır, ama tayflarla ilgilenmemiştir. Meslektaşı Hans Marius Hansen ona Balmer formülünü sorar. Tarihçiler bu konuşmayı 1913 Şubatının başına tarihler; birkaç hafta içinde hidrojen kuramı hazırdır.

Bohr'un sonraki yıllarda sık sık şöyle dediği aktarılır: "Balmer formülünü görür görmez her şey bir anda kafamda aydınlandı."

Kaynak: Heilbron ve Kuhn, Hist. Stud. Phys. Sci. 1, 211 (1969); söz: L. Rosenfeld'in On the Constitution of Atoms and Molecules (1963) baskısına girişi, s. xxxix (Bohr'un anlattığına göre)

Mart 1913 · Manchester

"Elektron nerede duracağını önceden mi biliyor?"

Bohr 6 Mart'ta makalenin ilk bölümünü Rutherford'a yollar. 20 Mart'taki yanıt hem destekleyici hem kuşkucudur: Planck'ın fikirlerinin eski mekanikle karıştırılması, işin fiziksel temelini kavramayı çok zorlaştırıyordur. Ve ciddi bir güçlük vardır: elektron bir durağan hâlden ötekine geçerken hangi frekansta titreşeceğine nasıl karar verir? "Bana öyle geliyor ki elektronun nerede duracağını önceden bildiğini varsaymak zorunda kalacaksınız."

Aynı mektupta Rutherford, açık olma çabasıyla makaleyi fazla uzattığını söyler ve kısaltmasını önerir.

Bu itiraz yerindeydi. Bohr modeli fotonun ne zaman ve hangi alt düzeye inileceğini söylemez; yalnızca olası enerjileri verir. Olasılıklar ancak 1916'da Einstein'ın A ve B katsayılarıyla, gerçek değerleri de kuantum mekaniğiyle hesaplanabildi. Simülasyondaki dallanma oranları bu sonraki fizikten gelir.

Kaynak: Rutherford'dan Bohr'a mektup, 20 Mart 1913, Niels Bohr Collected Works II, s. 583; Kragh, Niels Bohr and the Quantum Atom (2012)

Temmuz–Kasım 1913

Üçleme

"Atomların ve moleküllerin yapısı üzerine" başlıklı üç makale Philosophical Magazine'de Temmuz, Eylül ve Kasım 1913'te çıkar. İlki hidrojeni ele alır. Bohr, elektronun yükü, kütlesi ve Planck sabitiyle Rydberg sabitini hesaplar: 3,1 × 10¹⁵ s⁻¹. Gözlenen değer 3,290 × 10¹⁵ s⁻¹'dir; Bohr'a göre fark "sabitlerdeki deneysel hatalardan gelen belirsizliğin içinde"dir.

Kaynak: Bohr, Phil. Mag. 26, 1–25, 476–502, 857–875 (1913)

1913 · Manchester, Kopenhag

Pickering çizgileri hidrojenin değil

Bohr'un ilk makalesi bir öngörü içerir: Pickering ve Fowler'ın çizgileri hidrojene değil, bir elektronunu kaybetmiş helyuma (He⁺) aittir. Çekirdek yükü iki kat olduğu için bütün enerjiler dört kat büyür ve yarım tamsayılı gibi görünen çizgiler ortaya çıkar.

Manchester'da Evan Jenkin Evans, içinden hidrojen temizlenmiş helyum tüplerinde 4686 Å çizgisini görür. Fowler itiraz eder: ölçülen oran tam 4 değildir. Bohr'un yanıtı, çekirdeğin de hareket ettiğini hesaba katmaktır: indirgenmiş kütleyle oran 4,0016 olur ve ölçümle uyuşur. Fowler aynı sayıda bunu kabul eder.

Viyana'daki bir toplantıda George de Hevesy bu sonucu Einstein'a anlatır. Hevesy'nin Rutherford'a yazdığına göre, "Einstein'ın büyük gözleri daha da büyüdü ve bana 'O hâlde bu en büyük keşiflerden biri' dedi."

Kaynak: Evans, Nature 92, 5 (1913); Fowler, Nature 92, 95 (1913); Bohr, Nature 92, 231 (1913); Hevesy'den Rutherford'a, 14 Ekim 1913 (A. S. Eve, Rutherford, 1939, s. 226)

1914 · Berlin

Elektronlarla basamak saymak

James Franck ve Gustav Hertz, cıva buharından geçen elektronların ancak 4,9 eV'lik paketler hâlinde enerji kaybettiğini gösterir. Bu, atomun iç enerjisinin basamaklı olduğunun ışıktan bağımsız ilk kanıtıdır. İlginç olan, ikisinin bunu önce iyonlaşma sanmasıdır; Franck sonradan Bohr'un kuramını o sırada bilmediklerini anlattı.

Kaynak: Franck ve Hertz, Verh. Dtsch. Phys. Ges. 16, 457 (1914); Nobel Fizik Ödülü 1925 (1926'da verildi)

1916 · Münih

Elipsler ve ince yapı

Arnold Sommerfeld, Bohr'un çemberlerini elipslerle ve ikinci bir kuantum sayısıyla genişletir, göreliliği de ekler. Böylece hidrojen çizgilerinin aslında çok yakın birkaç çizgiden oluştuğunu, yani ince yapıyı açıklar. İnce yapı sabiti α ilk kez burada görünür.

Kaynak: Sommerfeld, Ann. Phys. 51, 1 ve 125 (1916)

1922 · Stockholm

Nobel ödülü

Bohr, 1922 Nobel Fizik Ödülü'nü "atomların yapısının ve onlardan yayılan ışınımın araştırılmasına yaptığı hizmetlerden dolayı" alır. 11 Aralık 1922'deki Nobel konuşmasının başlığı "Atomun yapısı"dır.

Birkaç yıl içinde yörünge fikri tümüyle terk edildi: 1925'te Heisenberg'in matris mekaniği, 1926'da Schrödinger'in dalga mekaniği. Bohr'un enerji düzeyleri ve frekans koşulu ise yeni kuramda aynen yaşadı.

Kaynak: nobelprize.org, 1922 Fizik Ödülü ve Nobel konuşması

Zaman çizelgesi

  1. 1885Balmer, dört hidrojen çizgisine uyan formülü yayımlar.
  2. 1889–90Rydberg, çizgileri dalga sayısı farkları olarak yazar; Rydberg sabiti.
  3. 1896Fleming ve Pickering, ζ Puppis'te "yarım tamsayılı" Balmer benzeri çizgiler.
  4. 1911Rutherford'un çekirdekli atomu (Mayıs). Bohr Cambridge'de (Eylül).
  5. 1912Bohr Manchester'da (Mart–Temmuz). Fowler 4686 Å çizgisini laboratuvarda elde eder.
  6. 1913Şubat: Hansen ve Balmer formülü. 6 Mart: taslak Rutherford'da. Temmuz–Kasım: üçleme. Eylül–Ekim: Evans, Fowler ve Bohr arasında He⁺ tartışması.
  7. 1914Franck–Hertz deneyi.
  8. 1916Sommerfeld: elipsler, ince yapı. Einstein: A ve B katsayıları.
  9. 1922Bohr'a Nobel Fizik Ödülü.
  10. 1925–26Matris mekaniği ve Schrödinger denklemi; Bohr yörüngelerinin yerini dalga fonksiyonları alır.

Kaynaklar

J. J. Balmer, "Notiz über die Spectrallinien des Wasserstoffs", Ann. Phys. Chem. 25, 80–87 (1885).
J. R. Rydberg, Kongl. Svenska Vet.-Akad. Handl. 23, No. 11 (1890); Phil. Mag. 29, 331–337 (1890).
E. C. Pickering, Astrophys. J. 4, 369 (1896); 5, 92 (1897). A. Fowler, MNRAS 73, 62 (1912).
E. Rutherford, Phil. Mag. 21, 669–688 (1911).
N. Bohr, "On the Constitution of Atoms and Molecules", Phil. Mag. 26, 1–25, 476–502, 857–875 (1913); "The spectra of helium and hydrogen", Nature 92, 231 (1913).
E. J. Evans, Nature 92, 5 (1913). A. Fowler, Nature 92, 95 (1913).
J. Franck, G. Hertz, Verh. Dtsch. Phys. Ges. 16, 457 (1914). A. Sommerfeld, Ann. Phys. 51, 1 (1916).
J. L. Heilbron, T. S. Kuhn, "The Genesis of the Bohr Atom", Hist. Stud. Phys. Sci. 1, 211 (1969). J. L. Heilbron, "The mind that created the Bohr atom", Séminaire Poincaré XVII (2013).
H. Kragh, Niels Bohr and the Quantum Atom, Oxford (2012). L. Rosenfeld, giriş, N. Bohr, On the Constitution of Atoms and Molecules, Munksgaard (1963).
W. L. Wiese, J. R. Fuhr, J. Phys. Chem. Ref. Data 38, 565 (2009). NIST Atomic Spectra Database (sürüm 5).