نیلز بور و تبیین ساختار اتم
چگونه کشف خاصیت نورتابی (Fluorescence) در کانی‌ها منجربه کشف ساختار اتم شد؟
نیلز بور دانشمند فیزیک کوانتوم و برنده جایزه نوبل، در سال ۱۸۸۵ در کپنهاگ پایتخت دانمارک متولد شد.
ژرژ گاموف در کتاب “سی سالی که فیزیک را دگرگون کرد”، بور را از تاءثیرگذارترین پیشگامان فیزیک کوانتوم می‌داند. پدر بور استاد فیزیولوژی دانشگاه کپنهاگ و مشوق او در آموختن دانش فیزیک بود.
نیلز، دانشجوی درخشانی بود و مدال طلای اکادمی علوم دانمارک را در دوران تحصیل مقطع لیسانس دریافت کرد. تِز دکترای او مطالعه نحوه رفتار الکترون‌ها در فلزات بود. اخیرا. JJ. تامسون الکترون‌ها را در آزمایشگاه کاوندیش کشف کرده و راذرفورد دانشمند نیوزیلندی نیز با بمباران صفحه نازک طلا (به ضخامت 100 نانومتر) با ذرات آلفا، پی به وجود یک هسته چگال با بارمثبت در ساختار آتم برده بود. با این حال ساختار دقیق اتم هنوز مبهم بود و به‌طور کامل واکاوی نشده بود. در سال ۱۹۱۱ بور برای مطالعات تکمیلی و پژوهش به انگلستان رفت و در دانشگاه‌های کمبریج و منچستر با دانشمندان برجسته‌ای همچون J. J. Tomson کاشف الکترون و ارنست راذرفورد کاشف هسته اتم، همکاری کرد. در ۱۹۱۳ و در بازگشت به کپنهاگ او با انتشار ۳ مقاله پیشگامانه، انقلابی در درک ما از اتم و ساختار آن بر پا کرد.
با وجود اکتشافات اخیر تامسون و راذرفورد، ساختار اتم هنوز مبهم بود. در مدل تامسون اتم را به صورت مَلقمه‌ای از بارهای مثبت و منفی (مدل کیک کشمشی) تصور می‌کردند. سپس راذرفورد نشان داد که بارهای مثبت اتم به صورت متراکم در هسته مرکزی آن تجمع یافته‌اند و بارهای منفی در اطراف آن حرکت می‌کنند، اما الگوی حرکت الکترون‌ها به دور هسته مشخص نبود.
بور با استفاده از یافته‌های دانش طیف‌سنجی عناصر که طی قرن نوزدهم شکل گرفته بود و همچنین ایده انقلابی ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ میلادی که نشان داد، تابش انرژی ستارگان می‌تواند به صورت بسته‌های کوچک انرژی (کوانتا) منتشر شود، مدل منظومه شمسی ساختار اتم را پیشنهاد کرد. بدین معنا که الکترون‌ها به دور هسته در مدارهای چندگانه‌ای (orbits) می‌گردند ( همانند سیارات منظومه شمسی که در مدارهای متفاوتی به دور خورشید می‌چرخند). این مدارها حاوی سطوح متفاوت معینی از انرژی هستند (سطوح کوانتومی انرژی)؛ و الکترون‌ها با گرفتن یا ازدست دادن انرژی می‌توانند بین این سطوح کوانتومی (یا همان مدار ها) جا به جا شوند. ایده نبوغ آمیز بور در آن زمان بسیاری از مشکل‌ترین چالش‌های دانشمندان در درک فیزیک و شیمی کوانتوم را حل کرد.
مدل اتمی بور که در سال ۱۹۱۳ پیشنهاد شد
کانی فلوئورایت با خاصیت نورتابی
برای درک این که بور چگونه به این مدل از ساختار اتم رسید، باید در ابتدا نگاهی به دانش طیف‌سنجی و حتی قبل از آن به کشف خاصیت نورتابی (Fluorescece) پاره‌ای از کانی‌ها بپردازیم.
نورتابی یافلوئورسانس یعنی خاصیت ذاتی برخی اجسام و کانی‌ها که در شرایط خاص می‌توانند از خود نور ساطع کنند. این پدیده حد اقل از قرن ۱۶ میلادی شناخته شده بود؛ ولی تا قرن ۱۸، علاقه‌ای به پژوهش بر روی این پدیده و تبیین مکانیسم آن، در میان دانشمندان مشاهده نشد. حال آن که درنهایت، این مطالعات به کشف ساختار اتم (مدل بور) انجامید.
درسال ۱۸۱۹ کشیش و کانی‌شناس بریتانیایی ادوارد کلارک ضمن تشریح خصوصیات کانی فلوئوریت، شرح داد که این کانی در شرایط خاص می‌تواند از خود نور بتاباند. در سال ۱۸۵۲ ژرژ گابریل استوکس فیزیکدان ایرلندی نشان داد که تابش نور از کانی فلوئورایت ناشی از قرار گرفتن آن در معرض اشعه ماورای بنفش است. او استدلال کرد که کانی فلوئورایت به طریقی اشعه ماورای بنفش را به نور قابل دیدن تبدیل می‌کند.
در همین سال‌ها فارادی و استوکس با برقراری جریان الکتریکی بین دو الکترود در دو انتهای یک تیوب شیشه‌ای که تا حد امکان هوای آن را تخلیه کرده بودند، مشاهده کردند که گاز رقیق باقی مانده در شیشه، وقتی اختلاف ولتاژ بین دو الکترود به قدر کافی زیاد شود، شروع به درخشش می‌کند. امروز می‌دانیم که جریان الکتریکی باعث جذب انرژی توسط گاز درون شیشه می‌شود، که ان را به صورت نور ساطع می‌کند. چند سال بعد هاینریش گایسلر شیشه‌گر آلمانی تیوب‌های خلأ شیشه‌ای بسیار بهتری درست کرد. سپس با وارد کردن گازهای مختلف به آن توانست لامپ‌های گازی را اختراع کند که کاربرد گسترده‌ای تا امروز پیدا کرده اند.
