Kwantumfysica Atoomspectra

De kwantumfysika werd opgesteld in 1925; het bleek een theorie waarmee het gedrag van materie op atomair niveau bijzonder goed te beschrijven viel. De klassieke wetten uit de macroscopische wereld bleken limietgevallen te zijn van de kwantummechanische wetten. Voor die tijd ontdekte men steeds meer verschijnselen die niet met de klassiek theorie verlkaard konden worden. Dit artikel behandelt atoomspectra en het atoommodel, dat een wezenlijke verandering onderging.

Impasse in het opstellen van het atoommodel

Naast het foto-elektrisch effect en het Compton effect, waren er meer verschijnselen die niet met de klassieke wetten verklaard konden worden. Bij absorptie en emissie van licht door (in damp aanwezige) atomen, bleken de spectra te bestaan uit discrete lijnen en niet, zoals men eigenlijk verwachte, uit een continuüm. Men voelde aan dat de verklaring van deze spectra moest voortkomen uit een verbeterd inzicht in de structuur van atomen.

Tot 1911 dacht men dat men een atoom moest zien als een soort plumpudding (het Thomsonmodel): binnen een bol, waarin de positieve lading gelijkmatig over de ruimte verdeeld was zaten op bepaalde punten de elektronen. Berekend was, dat slechts bepaalde elektronenconfiguraties stabiele toestanden konden opleveren. Met dit atoommodel kon men een aantal eigenschappen, vooral van chemische aard, kwalitatief verklaren, maar vele zaken bleven nog onbegrepen.

In 1911 ontstond een nieuw inzicht toen in verstrooiingsexperimenten van α-deeltjes aan atomen bleek dat niet alleen α-deeltjes over kleine hoeken werden afgebogen, maar ook over grote hoeken. Zelfs terugkaatsing bleek op te treden. Dit kon alleen verklaard worden als het atoom een deeltje met relatief grote massa zou bevatten. Rutherford stelde nu dat dit zware deeltje een positief geladen atoomkern moest zijn; het atoom bestond uit zo'n relatief zware positief geladen atoomkern, omringd door relatief lichte negatief geladen elektronen. Op basis van dit model waren de experimenten ook kwantitatief te verklaren.

Een goed model, met echter een groot vraagteken. Volgens de klassieke fysica was het Rutherfordatoom niet stabiel. Zouden elektronen stilstaan, dan zouden de aantrekkende Coulombkrachten tussen kern en elektronen, de elektronen direct op de kern doen vallen. Zouden de elektronen om de kern circelen, zoal de planeten om de zon, dan trad er een ander probleem op. Om in een gesloten baan te kunnen rondlopen moeten de elektronen voortdurend van richting veranderen. Dit kan alleen als op de elektronen een kracht werkt, die ze een versnelling in een andere richting geeft. Volgens de klassieke theorie van Maxwell zendt een geladen deeltje dat versneld wordt echter elektromagnetische straling uit. Deze continue uitstraling zou in een kontinue afname van de kinetische energie resulteren; uiteindelijk zou het elektron dus toch terugvallen op de kern.

Atoommodel van Bohr

De Deense natuurkundige Bohr doorbrak deze impasse door een aantal postulaten in te voeren, die ten dele in strijd waren met de klassieke wetten, maar die gemeten spectra in grove trekken toch konden verklaren:

• Een H-atoom kan alleen bestaan in een beperkt aantal toestanden, waarin het elektron zich in een circelbaan om de kern beweegt, zonder dat hierbij straling wordt uitgezonden.
• Slechts die banen zijn mogelijk, waarvoor geldt: Ο∫ p dq = η h waarin p de impuls van het elektron is en q zijn plaatscoördinaat. Uitgaande van deze twee postulaten is de energie van het elektron te berekenen. Passen we de harmonische oscillator toe, dan leidt dit tot de energiekwantisatie: W = η h μ
• Stralingsenergie wordt alleen geëmiteerd, wanneer een elektron van hogere energie naar één van lagere overgaat (bij absorptie gaat het van een toestand van lagere energie naar één van hogere over).
• De frequentie μ van de geëmiteerde of geabsorbeerde straling wordt bepaald door het energieverschil ΔW tusssen de bij de overgang betrokken toestanden: μ = ΔW / h.

Met Bohr's theorie is de positie van de vele lijnen in het H-atoom-emissiespectrum goed te verklaren, maar ondanks later aangebrachte verfijningen bleven er details over, die met deze theorie niet begrepen konden worden. Men had het idee met deze theorie wel op het goede spoor te zijn, maar het einddoel nog niet bereikt te hebben.

Net als bij de verklaring van de zwarte straling, het foto-elektrisch effect en het Compton-effect owrdt hier uitgegaan van de kwantisatie van em-straling in pakketjes met energie hμ. Daarnaast is echter het concept van de stationaire toestanden geïntroduceerd; een concept dat in de kwantummechanika een belangrijke rol zal spelen.

Een aantal fundamentele vragen bleef onbeantwoord, zoals:

• Wat is de achtergornd van de kwantisatie-voorwaarde?
• Waarom wordt straling uitgezonden en hoe verloopt dit proces?

Lees verder

• Kwantumfysica introductie
• Kwantumfysica Foto-elektrisch effect
• Kwantumfysica het golfkarakter van materie