Hoofdstuk 6: De Solvayraden en het ontstaan van de kwantumfysica

De eerste Solvayraad vind plaats in Brussel, in het hotel Métropole van 30 oktober tot 3 november 1911. Vijf dagen lang wordt er intens gediscussieerd over hoe de kwanta van Planck met de dan geldende fysica kunnen worden verzoend.
De discussies zijn hevig, maar men raakt het nergens over eens. Het algemene besluit is dat de kwanta niet passen in de fysica, maar dat ze wel op één of andere manier moeten kunnen ingeschakeld worden.
Er is een volledige nieuwe fysica nodig, beweert Arnold Sommerfeld.
Einstein, die zijn eerste publieke optreden doet op deze raad en een grote indruk nalaat, ziet in dat de oude fysica faalt, maar dat de fysica van de kwanta nog niet genoeg is gevorderd. “Het is ingewikkeld genoeg om een bende duivelse Jezuïeten bang te maken”, zal hij later zeggen.
Henri Poincaré bewijst, weliswaar pas in 1912, dat de hypothese van de kwanta van energie noodzakelijk is
Het Bohratoom en de emissiespectra

De Sovayraden van 1913 & 1921

In de tweede Solvayraad (van 1913) is het onderwerp ‘de structuur van de materie’. Hier deed zich ook een serieus probleem voor. Op grond van experimenten van Geiger en Marsden kwam Ernest Rutherford tot de conclusie dat het model van atoom dat Thomson in 1902 had voorgesteld niet kon kloppen. In 1911 stelt hij een nieuw atoommodel voor: een kleine harde kern met daarrond bewegende elektronen.

Een groot probleem met dit model was dat het volgens de theorie van Maxwell niet stabiel kon zijn: binnen de kortste keren zouden de elektronen op de kern moeten vallen: het Rutherfordatoom stort in elkaar.

Fig. Niels Bohr, 1885-1962

Niels Bohr, 1885-1962

Op  de eerste raad na de eerste wereldoorlog in 1921 worden geen Duitse geleerden toegelaten. Deze zullen pas terug mogen deelnemen op de vijfde raad, in 1927.

Op de derde raad, in 1921, die handelde over atomen en elektronen, komt het probleem van het atoommodel opnieuw op tafel. De show wordt gestolen door iemand die er niet bij was: Niels Bohr. Deze jonge Deense fysicus  treedt op de voorgrond, en zal een uiterst belangrijke rol gaan spelen in de ontwikkeling van de kwantummechanica.

Om het probleem met het model van Rutherford op te lossen doet  hij een heel gewaagd voorstel. Bohr stelt voor de energie van een elektron in een atoom te kwantiseren. Dat wil zeggen dat voor een elektron in een atoom, enkel welbepaalde hoeveelheden energie toegelaten zijn.

Elektronenbanen in het Bohratoom

Als voor een elektron in een atoom enkel welbepaalde hoeveelheden energie toegelaten zijn, kan het elektron zich maar op welbepaalde afstanden rond de kern van het atoom bewegen. Op deze banen verliest het elektron geen energie. Met dit postulaat wordt het model van Rutherford stabiel. Maar het is natuurlijk wel een postulaat, een aanname waarvoor Bohr geen verklaring heeft. Net zoals de aanname van Planck voor de lichtkwanta.

Hiermee kan hij echter wel heel veel verklaren, o.a. emissie of absorptie van licht met een bepaalde golflengte. In sommige omstandigheden (door botsing bijvoorbeeld) kan een elektron toch van baan veranderen. Bij overgang naar een baan verder van de kern af, wordt energie opgenomen onder de vorm van een lichtkwantum. Bij overgang naar een baan dichter bij de kern wordt een lichtkwantum afgestaan.

De Zwitserse wiskundeleraar Johan Jacob Balmer ontdekte omstreeks 1850  een formule waarmee hij de golflengte van de spectrale lijnen van waterstof in het zichtbare gebied kon afleiden. De fysische verklaring voor deze formule bleef echter onbekend.
Met het postulaat van Bohr verklaart men nu de emissie en absorptielijnen in de spectra zoals die bij gassen worden waargenomen. Ook de formule van Balmer die al lang bekend was, volgt uit dit model.

Einstein twijfelde eerst aan het Bohr-atoom, maar zag snel in dat het een waardevolle theorie was.

Golfkarakter van het elektron – Solvayraad 1924
De deelnemers aan de Solvayraad van 1924 voor het Internationaal Solvayinstituut dat in 1912 werd opgericht.

Na de raad van 1921 zitten we met een nieuw probleem: waarom is de energie van een elektron in een atoom gekwantiseerd?

In 1924, het jaar van de vierde Solvayraad, komt er opnieuw een jonge kerel met een revolutionair voorstel. Het is prins Louis de Broglie. In een notendop komt zijn voorstel hierop neer:

Einstein had licht gekwantiseerd en kon daarmee het foto-elektrisch effect verklaren. In 1917 kent hij het foton een impuls toe. Bohr kwantiseerde de energie van een elektron in een atoom en kon hiermee spectra verklaren en de stabiliteit van het Rutherfordatoom. Louis de Broglie bouwt hierop verder en stelt een gewaagde hypothese voor: het elektron heeft naast deeltjes- ook golfeigenschappen.

266px-Broglie_BigMet een elektron dat rond de kern beweegt, komt dus naast een bepaalde baan ook een bepaalde golf overeen. De golflengte van zo’n elektronengolf moet dan een geheel aantal keer passen in de baan van het elektron omheen de atoomkern.  Er zijn dus maar bepaalde banen mogelijk omdat er maar bepaalde golflengten toegelaten zijn.

De hypothese van de Broglie wordt, niet veel later, ook experimenteel bevestigd door Davisson en Germer. Ze gebruiken een techniek die was ontwikkeld door Debye en Scherrer, waarmee ze kunnen laten zien dat elektronen net zoals andere golven een interferentiepatroon kunnen vormen.

 Ga zelf aan de slag!

  1. Maak een collage van videofragmenten waarin aan bod komen:

De ontdekking van het elektron

Het atoommodel van Rutherford

Het atoommodel van Bohr

De golfmechanica van de Broglie met een doorsteek naar het hedendaagse atoommodel

2. Beschrijf twee methoden om de lading van het elektron experimenteel te bepalen

3. Beschrijf hoe je de verhouding e/m voor een elektron kan bepalen door een elektronenbundel door een elektrisch en door een magnetisch veld te sturen.

Welke problemen kunnen zich voordoen door dezelfde methode voor een protonenbundel te gebruiken?

4. Leid de formule van Balmer af voor het waterstofatoom

5. Een radium-226 kern zendt een alfa-deeltje waarvan de energie 6,4 MeV. (1 MeV = 1 06 V). Bereken de golflengte van de golf die met dit alfa-verbonden is. (De Lading van een elektron is 1,602.10-19 C)

Golf of deeltje?

Licht heeft ook deeltjeseigenschappen en het elektron blijkt nu dus inderdaad ook golfeigenschappen te hebben.

Wat is het elektron nu? Is het dan een golf? Of toch een deeltje? En licht? Golf of deeltje?

We kunnen op deze vraag niet zomaar antwoorden. Na deze ontdekking kan er geen absoluut onderscheid meer tussen beide worden gemaakt.

De Broglie sluit zijn Nobellezing als volgt af:

Om de eigenschappen van materie en van licht te beschrijven moeten we golven en deeltjes tegelijk gebruiken. We kunnen een elektron niet langer beschouwen als een klein deeltje met elektrische lading: we moeten er een golf mee verbinden. Deze golf is geen fictie : de golflengte ervan kan berekend worden alsmede de interferenties ervan. Dit idee van dualisme in de Natuur is de basis van de theoretische fysica nu en in de toekomst.

h-postzegel

Postzegel ter berinnering aan Max Planck uit het vroegere Oost Duitsland.

Elektronen en licht kunnen zich naargelang van de omstandigheden, dus naargelang van het experiment,  als een golf of als een deeltje gedragen. Ze hebben een dubbel, een duaal karakter. Dit is natuurlijk een heel merkwaardige vaststelling. Helemaal in strijd met onze dagelijkse ervaring, waar bijv. een biljartbal altijd en overal een deeltje is en geluid altijd en overal een golf.  Nochtans geldt deze dualiteit voor alle deeltjes maar ze wordt pas waarneembaar op de schaal van atomen en kleiner. Dat komt omdat h, de constante van Planck, héél klein is. Ze bedraagt 6,626 10-34  Joule.seconde.

Meer Weten?

Test je kennis!