29
Physics AT3‐Part A The development of the quantum mechanical atomic theory – Bohr, Heisenberg and Pauli Research and Report: Secondary sources

Physics AT3‐Part A The development of the quantum

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

 

   

Physics AT3‐Part A 

The development of the quantum mechanical atomic theory – Bohr, Heisenberg and Pauli Research and Report: Secondary sources 

 

Page 2: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 1 of 28  

Heisenburg/Pauli – Development of the Atomic Theory Contents Introduction ............................................................................................................................................ 2 

Rutherford‐Bohr Model .......................................................................................................................... 3 

A Brief History of the Atom ................................................................................................................. 3 

Rutherford’s Model ............................................................................................................................. 4 

The Bohr Model‐Structure, Postulates and Success ........................................................................... 6 

The Rutherford‐Bohr Model‐Limitations .......................................................................................... 12 

Werner Heisenberg ............................................................................................................................... 14 

Brief History ...................................................................................................................................... 14 

Contributions to the Atomic model .................................................................................................. 14 

Impact of Heisenberg’s contribution to the atomic model .............................................................. 17 

Impact on Society .............................................................................................................................. 18 

Wolfgang Pauli ...................................................................................................................................... 20 

Brief History ...................................................................................................................................... 20 

Contributions to the Atomic Model .................................................................................................. 20 

Impact of Pauli’s contribution on the atomic model ........................................................................ 22 

Impact on Society .............................................................................................................................. 22 

Future possible developments .............................................................................................................. 23 

The Quark model/The Standard Model ............................................................................................ 23 

Grand Unified Theories (GUTs) ......................................................................................................... 25 

String Theory and Supersymmetry ................................................................................................... 25 

Conclusion ............................................................................................................................................. 26 

Bibliography .......................................................................................................................................... 27 

Appendix‐Common Constants and Variables ....................................................................................... 28 

Constants .......................................................................................................................................... 28 

Variables............................................................................................................................................ 28 

 

   

Page 3: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 2 of 28  

Figure 1: Bohr, Heisenberg and Pauli in conversation (Source: http://history.aip.org) 

Introduction The atomic model is perhaps one of the most intriguing concepts in modern physics, and a study of 

its history is equally fascinating. From Democritus to Bohr, to Heisenberg and Pauli, and then the 

Standard model. This report explores the earlier models of the atom, focusing on the development 

of the Rutherford‐Bohr Model. A close study of the contributions of Werner Heisenberg and 

Wolfgang Pauli will then be made, including the subsequent effects on society. Finally a summary of 

the current understanding of the atom will be made, along with various avenues for future 

development.  

 

   

Page 4: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 3 of 28  

Rutherford‐Bohr Model 

A Brief History of the Atom The Rutherford‐Bohr model was a culmination of centuries of speculation on the structure of the 

atom. Democritus (460‐370 BC) was the first to develop an atomic theory of atoms (Democritus, n.d., 

para 3): 

1. All matter consists of indivisible particles called atoms 

2. Atoms are indestructible 

3. Atoms are solid but invisible 

4. Atoms are homogenous 

5. Atoms differ in size, shape, mass, position and arrangement. 

John Dalton  (1766‐1844) was  the  next  to  propose  a  significant  atomic  theory, with  the  following 

postulates (Warren, 2008): 

1. Matter is composed of small indivisible atoms 

2. Elements contain only one type of atom; Different elements contain different atoms 

3. Compounds contain more than one type of atom. 

Up until  this point,  it was accepted that  the atom  is a  fundamental particle. That  is,  they have no 

measurable internal structure; they are not composed of other particles. This theory was dramatically 

changed when Sir Joseph John Thomson determined the charge to mass ratio of a cathode ray particle. 

The ‘electron’ as it was subsequently termed, had a charge to mass ratio of: 

1.76 10 .  

This ratio was around 1800 times larger than that of a hydrogen ion (a proton), and was the 

same  no matter what metal was  used  for  the  cathode, which  suggested  that  the  electron was  a 

fundamental  particle which was  contained  in  all  atoms.  J.J  Thomson  subsequently  established  his 

‘plum‐pudding’ model, which consisted of electrons embedded in a mass of positive material with a 

diameter of approximately 10‐10 m, to produce an overall negative charge, as seen in the figure below 

(Bohr's Model of the Atom, n.d.): 

Figure 2: Thomson's plum pudding model of the atom ((Source: http://www.quarkology.com) 

Page 5: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 4 of 28  

 

Rutherford’s Model  Ernest  Rutherford  (1871‐1937)  then  established  an  atomic 

model which contained a nucleus. This was a very high density region in 

the centre of the atom, as opposed to Thomson’s low density positive 

‘pudding’.  Rutherford’s  students,  Geiger  and  Marsden  conducted  an 

experiment  in  1904  (Bohr's Model  of  the Atom,  n.d.), which  involved 

bombarding a piece of thin gold foil with alpha particle (helium nuclei‐

two protons,  two neutrons, charge of +2 C)  from a radon source. The 

particles could then be detected by a scintillation (fluorescent) screen. 

(See diagram 1).  

 

It was expected that the positive alpha particles would pass straight  through the foil, with 

some deflections due to interactions with the atoms in the foil. Multiple interactions produced various 

deflections, even up to 90o although this was rare. In the actual experiment, it was observed that 1 in 

every 8000 alpha particles was reflected (deflected by an angle greater than 90o. The probability of 

multiple scatterings producing this reflection was so minute that Rutherford concluded that it had be 

a result of an encounter with a single atom. Once this was established, Rutherford deduced that the 

charge in that single atom must have been concentrated to a region that was 10 000 times smaller 

than the radius of the atom. The alpha particles were known to have a velocity of approximately 1.6 x 

107 ms‐1, and would penetrate the atom to within 3 x 10‐12 cm of its centre, before being turned back. 

Rutherford then concluded that the charge must be situated in a very concentrated area in the centre 

of the atom, known as the nucleus (Warren, 2008). The nucleus was predicted to be approximately 

Figure 3: Ernest Rutherford  (Source: http://www.nobelprize.org 

Diagram 1: Rutherford's Experiment 

Page 6: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 5 of 28  

10‐15m1 across, and Einstein’s analysis of Brownian motion had predicted the diameter of an atom to 

be  10‐10m  across.  This meant  that  the  atom was mostly  empty  space,  as  seen  in  the  diagram  of 

Rutherford/s model below. (Note that diagram 2 is not to scale. This would not be practical, as the 

ratio of the diameter of the atom to the diameter of the nucleus is about 2.5 x 105.) 

Diagram 2: Rutherford's Model 

Rutherford’s model still contained several  failings, such not being able to explain what the 

nucleus  consisted  of  or  how  the  orbits  of  electrons  are  arranged  around  the  nucleus.  Another 

significant  limitation  involved  the  energy  of  the  orbiting  electrons.  When  a  charged  particle 

accelerates,  or  changes  direction,  it  radiates  energy,  and  an orbiting  electron  should  theoretically 

continuously  lose energy and spiral  into the nucleus. The spectral  lines of atoms could also not be 

explained. 

   

                                                            1 Equal to one Femtometre, sometimes called a Fermi, written fm. 

Page 7: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 6 of 28  

The Bohr Model‐Structure, Postulates and Success Niels Bohr (1885‐1962) was a Danish Physicist who was the first 

Physicist  to  introduce  the new  theory of quantum mechanics  into his 

atomic model, which was proposed  in 1915. He first worked  in at  the 

Cavendish laboratory with J.J. Thomson and then for Rutherford at the 

University  of  Manchester.  His  model  was  a  modification  of  the 

Rutherford model, and is often called the Rutherford‐Bohr model. Unlike 

the  experimental  physicists  Thomson  and  Rutherford,  Bohr  was  a 

theoretical physicist. 

  Bohr  recognised  the  problem  of  having  electrons  circle  the 

nucleus,  as  they  would  emit  what  was  known  as  bremsstrahlung  or 

‘braking  radiation’.  As  they  accelerated  in  the  electric  field  of  the 

nucleus,  they would  emit  electromagnetic  radiation,  and  their  kinetic 

energy would decrease. As their kinetic energy decreased, they would slow down and fall into a lower 

orbit, spiralling into the nucleus. To address the limitations of the Rutherford model, Bohr announced 

three postulates (Bosi, et al., 2010), (Andriessen, Pentland, McKay, Tacon, & Morante, 2003): 

1. Electrons exist in stable orbits. An electron can exist in any of several special circular orbits 

with no emission of radiation. These orbits are called stationary states, and any permanent 

change  in  their motion must  consist of a  complete  transition  from one stationary state  to 

another. 

2. Electrons absorb or emit specific quanta of energy when they transition between stationary 

states  (orbits).  In  contradiction  to  classical  electromagnetic  theory,  a  sudden  transition 

between two stationary states will produce an emission or absorption of quantised radiation 

(a photon), described by the Planck‐Einstein relation: 

h ∆  

Where h=Planck’s constant, and E1 and E2 are values of the stationary states that form the 

initial and final states of the atom. 

3. Angular momentum1 of electrons is quantised. An electron in a stationary state (orbit) has a 

quantised  angular  momentum  that  can  only  take  values  of        where  n  is  the  principal 

quantum number. 

The frequent mention of quanta was part of the new avenue of physics being developed at the time, 

quantum mechanics. The origination of quantum mechanics should be outlined briefly, as it will be 

referred to and built on later.  

Max  Planck  (1858‐1947) was  the  first  to  introduce  the  concept  of  quantised  values.  This was 

originally  a mathematical  convenience  to explain  phenomena  related  to  the  intensity of  radiation 

emission.  To  create  a  black body  radiation  curve  to match  that  found  in  experiments,  a  radiation 

emitter was assumed by Planck to have the following properties (Bosi, et al., 2010): 

1. A radiation emitter can only have energies E given by 

 

                                                            1 The rotational equivalent of linear momentum, where the angular momentum L, of a point mass m, in a circular motion of radius r with velocity v, is given by   

Figure 4: Niels Bohr (Source: http://www.nobelprize.org) 

Page 8: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 7 of 28  

where f is the emitted frequency in Hertz, h is the Planck’s constant (6.626 x 10‐34 J s) and n 

is an integer. The energy E is measured in Joules. 

2. An emitter can absorb or radiate energy in ‘jumps’ or quanta. Two consecutive energy states 

differ by hf, as governed by n being an integer value. 

Classical theory states that an object can have any energy, and these assumptions were 

consequently so radical that Planck himself heatedly resisted the theory, which has become one of 

the two pillars of modern physics, the other being relativity. 

Einstein subsequently built on this theory, and suggested in 1905 that electromagnetic radiation 

occurred in small packets, or photons. The properties of these photons are still however expressed 

in wave form: 

 

Where c is the speed of light (c=3.00 x 108 ms‐1), f is the frequency in Hertz and λ is the wavelength in 

m. Einstein assumed that the energy E of each photon is related to the frequency f by the equation: 

 

E being the energy in Joules, h being Planck’s constant (6.626 x 10‐34 J s), c being the speed of light 

and λ the wavelength in m. The experimental evidence, such as blackbody radiation curves and the 

photoelectric effect, confirmed Planck’s assumptions, and this period marked a new path away from 

the classical Physics. Quantum mechanics had become the science of the very small, and classical 

had become restricted to the science of the very large.  

  Bohr’s modifications of Rutherford’s model had made it into a hybrid model that spanned 

both classical and quantum theories, and proved to be extremely successful in explaining many 

experimental observations. The basic structure of the Rutherford‐Bohr atomic model can be seen in 

diagram 3: 

Diagram 3: Bohr's model of the atom 

Page 9: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 8 of 28  

Bohr’s model did not just consist of postulates and a graphical/diagrammatic model, it was also 

backed up with significant mathematical framework. To display this success, emission spectra, the 

Balmer series, and the revised Balmer equation must be outlined.  

When white light is passed through a prism, it can be broken into its constituent colours, and is 

known as a continuous spectrum, as it consist of a continuous spread of wavelengths/frequencies. 

As seen in Figure 4, there are other types of spectra that can be produced. The radiation from a hot 

gas can be analysed with a spectroscope, and bright lines will appear. If white light is passed through 

a cold gas, dark lines will appear at the frequencies which have been absorbed. Each element has a 

‘signature spectra’. 

  The emission spectra of hydrogen had been extensively studied before Bohr’s time, and in 

1885, a Swiss schoolteacher named Johann Balmer (1825‐1898) derived an empirical formula1 which 

gave the wavelengths of the emission lines for hydrogen: 

Where b was a constant found empirically to be 364.56 nm and n is an integer related to a particular 

spectral line, as shown in the table below: 

 

 

                                                            1 A formula derived purely from experiments with no theoretical basis (Warren, 2008) 

Figure 5: Different Spectra (Source: http://www.quarkology.com) 

Figure 6: Emission Spectra of Hydrogen (Source: http://www.quarkology.com) 

Page 10: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 9 of 28  

Name of Line  n  λ (nm)  Colour 

Hα  3  656.2  Red 

Hβ  4  486.1  Green 

Hγ  5  434.0  Blue 

Hδ  6  410.13  Violet Table 1: Balmer Series for Hydrogen (Warren, 2008) 

Janne Rydberg modified Balmer’s equation to look like this: 

1 1 1 

Where RH is the Rydberg constant (RH=1.097 x 107 m‐1), λ is the wavelength of the emitted radiation, 

nf is an integer equal to two, ni is an integer equal to 3, 4, 5, 6… 

One of the greatest successes of the Bohr model, was its ability to theoretically produce this 

equation, which had been previously only derived on an empirical basis. The mathematical workings 

will now be demonstrated to show how the Balmer equation was theoretically replicated. 

Firstly, the total ‘classical’ energy of the Rutherford hydrogen atom will be calculated. The 

electrical potential energy of a proton‐electron system must be greater than the kinetic energy of 

the electron, if the they are to remain as a bound system. Adding together these two quantities will 

give the total energy of the system. (Mathematical progression as per (Warren, 2008)) Note: for ease 

of progression, the values for common variables are given in the Appendix. 

Kinetic energy of electron: 

12

 

Electrical force on electron: 

 

(qe is the charge on proton and electron (1.602 x 10‐19 C)) 

This electrical force provides the centripetal force of magnitude: 

 

 

 

12

12  

12

12

 

 

 

Page 11: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 10 of 28  

Potential energy of electron is given by: 

 

Total energy is the sum of potential and kinetic energies: 

12

 

12

 

Remember: This is the total ‘classical’ energy of Rutherford’s Hydrogen atom. 

Bohr’s ‘quantisation’ postulate however (as outlined), restricts the electron to stationary 

states in which the angular momentum of the electron to integer multiples: 

h2

 

In this equation, n is an integer known as the principle quantum number1. An expression of the 

radius of the stationary states corresponding to each integer value n can be found: 

h2

 

h2πm

 

From the earlier equation,  , an expression for v2: 

 

This can then be substituted: 

h

4π mkqm r

 

h4π m kq

 

Where rn is the radius of the stationary state corresponding to the integer n. 

The radius of the stationary state corresponding to n=1 will be: 

h4π m kq

 

                                                            1 This will be discussed in later sections 

Page 12: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 11 of 28  

And the expressions for rn and r1 can be combined to give: 

 

If we now return to the classical energy of the Rutherford Hydrogen atom ( ) and impose 

the restriction that the only possible energies are those that correspond to values of radius   

π, which then allows the calculation of the energy states: 

12 h4π m kq

 

124

 

1 2h

 

It can again be seen the first energy state is equal to: 

2h

 

 

And again, En and E1 combined give: 

Now, this expression can be combined with Bohr’s second postulate to derive an expression for the 

difference in energy between the two stationary states, and hence the energy of the photon emitted 

or absorbed. If an electron jumps from an initial state, Ei to a different final state, Ef, the change in 

energy in the electron is: 

∆  

1 1 

1 1 

This is the energy of the emitted photon, hf. 

It is now possible to derive an equation for the frequency and wavelength of the photon: 

1 1 

1 1 

Page 13: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 12 of 28  

1 1 

1hc

1 1 

This bears the same form as Balmer’s equation, and   when calculated, is equal to the Rydberg 

constant, remembering E1 is negative. The Bohr model also predicted the correct value of the ground 

state1 energy of the Hydrogen atom, ‐13.6 eV2 (Giancoli, 2005). 

The ability of the Bohr model to theoretically replicate an empirical formula was a major 

achievement and offered very strong support for the Bohr model. The largest effect this model had 

on Physics was to question the validity of classical theory in regards to the miniscule world of the 

atom. Bohr predicted that the new quantum theory did not invalidate classical theories. If the 

energies for orbits with principle quantum number n=1,000,000 and n=1,000,001 are calculated, 

along with their radius, they would be seen to be approaching the macroscopic scale, and the 

difference in energies would be barely perceptible. This shows that the classical theory is quite 

applicable in ‘normal’ situations, but an alternative theory must be adopted for the tiny values 

associated with individual atoms. Another example of this is Einstein’s relativity, which is only used 

for speeds approaching c. In situations ‘normal’ speeds (v << c), the relativity values are very nearly 

identical to the classical ones. The insistence that a more general theory such as quantum mechanics 

give the same results as a more restricted theory such as classical theory (which only works with 

macroscopic dimensions) is called the correspondence principle. The two theories must correspond 

where their realms of validity overlap. Therefore, classical mechanics is not contradicted by quantum 

theory, it is just relevant to a more restricted area. 

The Rutherford‐Bohr Model‐Limitations The Rutherford Bohr model was not, however, entirely successful. Its hybrid nature and inability to 

explain certain phenomena meant that further development was still required. Some of the major 

occurrences unable to be explained were: 

The spectra of larger atoms, as the Bohr model could only successfully explain the Hydrogen 

atom, and could not accurately calculate the spectral lines of larger atoms. This was later 

found to be a result of the interactions between the multiple electrons of the atom. 

The relative intensity of brightness of spectra lines could not be explained, as they suggested 

that some transitions were more favoured than others. This was later shown to be a result 

of certain quantum laws. 

The hyperfine structure of spectra lines, where several fine lines were clustered around the 

main spectral line, could also not be predicted, even for Hydrogen. Later found to be a result 

of the interaction of angular momentum. 

The Zeeman effect, discovered by Pieter Zeeman, involved a spectral line splitting into three 

or more lines when the emission body was subjected to a magnetic field. A similar result was 

found when an electric field is applied, and is known as the Stark effect. Later shown to be a 

result of the tiny magnetic moment of an atom.  

                                                            1 The stationary orbit with the lowest orbit and principle quantum number n=1 2 1 eV(electron volt) = 1.602 x 10‐19 J, and is the amount of energy gained by an electron passing through a potential difference of 1 Volt. 

Page 14: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 13 of 28  

The ad hoc nature of the Bohr theory, which made assumptions to make theory agree with 

experiment, still left the model as an ambiguous theory awaiting further proof and development. 

  That development came in the form of a complete quantum mechanics model, through 

scientists such as Louis de Broglie (1892‐1987), Erwin Schrödinger (1887‐1961), Werner Heisenberg 

(1901‐1976) and Wolfgang Pauli (1900‐1958). 

  Louis de Broglie was the first to build onto Bohr’s theory and to theoretically prove why 

stationary states existed. He extended a theory known as wave‐particle duality, which was originally 

theorised to explain the dual nature of a photon. De Broglie applied the concept to matter as well, 

and stated that the wavelength of a particle would be related to its momentum in the same way as a 

photon: 

 

Where h is Planck’s constant, p is the linear momentum mv and λ is the wavelength in m. 

De Broglie then applied this theory to the electrons orbiting a nucleus. He predicted that an electron 

in orbit around a nucleus is matter wave that consists of a circular standing wave (see Below). The 

circumference of a Bohr orbit of radius rn is 2πrn, and so: 

2 , 1,2,3, … 

And if de Broglie’s formula ( / ) is substituted in: 

2  

Which is the quantum condition proposed by Bohr, on an ad hoc basis, and was the first explanation 

for the quantised orbits and energy levels, and implied that the wave‐particle duality is part of all 

atomic structure (Giancoli, 2005).  

  The later discoveries of Heisenberg and Pauli proved even greater advances, and will be 

covered in the following sections. 

   

Page 15: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 14 of 28  

Werner Heisenberg 

Brief History Werner Heisenberg was born on the 5th 

December 1901 in Wurzburg, Germany, and 

died on the 1st of February 1976 from cancer. 

He attended the University of Munich to 

study Physics. He then went to Gottingen 

with Max Born (1882‐1970) to study, then to 

the Institute of Theoretical Physics in 

Copenhagen with Niels Bohr.  

Contributions to the Atomic model Heisenberg’s two greatest contributions to 

the arena of quantum mechanics were the 

development of a complete quantum theory, 

otherwise known as quantum mechanics, and 

the uncertainty principle.  

  In 1924, when Heisenberg moved to 

Copenhagen, it was widely accepted by 

physicists that a new quantum mechanics 

theory was needed to supersede the 

limitations of the quantum theory. 

Heisenberg’s contributed to the first complete quantum theory of the atom, which was described 

mathematically through a complex system of matrices1By September 1925, Max Born, Pascual 

Jordan and Heisenberg had completed a paper titled “Zur Quantenmechanik II” (“On Quantum 

Mechanics II”2), subsequently becoming known as the “three man paper”, and is regarded as the 

foundational document of a new quantum mechanics (Brittanica, 2015). This theory when equated 

by Erwin Schrodinger (1887‐1961) to his own wave function theory, introduced the concept of 

probability to quantum mechanics as opposed to the determinist view of classical mechanics. This 

will be discussed further in a later section. The complex matrix mechanics developed by Heisenberg 

solved the issues of hyperfine spectral structure, varying intensity of spectral lines and the Zeeman 

effect (He was forced to introduce half‐integer principal quantum numbers to do so, which 

conflicted with Bohr’s model. The concept of quantum numbers will be discussed later in regards to 

Pauli, who explained these effects more correctly).  

  Heisenberg is perhaps most famous for his uncertainty principle, which he articulated within 

his  March  1927  paper,  “Uber  den  anschulichen  Inhalt  der  quantentheoretischen  Kinematik  und 

Mechanik”  (“On  the  Perceptual  Content  of  Quantum  Theoretical  Kinematics  and  Mechanics”) 

(Brittanica, 2015). Heisenberg did not agree with the circular orbits of Bohr’s model. He argued that it 

was not possible to predict the exact position of electrons at any point in time, reflecting the move 

towards  quantum mechanics.  To  describe  the  uncertainty  principle,  we will  envisage  an  electron 

moving  independently  through  empty  space.  Physicists  would  describe  the  electron  with  four 

properties: momentum, position, energy and time. These four properties are grouped into two pairs 

known as ‘canonically conjugate’ variables. The classical theory held up until Bohr’s time assumed that 

                                                            1 Plural of matrix, regarding matrix algebra 2 The first version of the paper was assembled by Born and Pascual only 

Figure 7: Werner Heisenberg (Source:https://the‐history‐of‐the‐atom.wikispaces.com) 

Page 16: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 15 of 28  

the  precision  of  an  experiment  relied  solely  on  the  accuracy  and  sensitivity  of  the  measuring 

instruments used, but Heisenberg  theorised  that quantum mechanics  limits  the precision possible 

when measuring  two canonically conjugate variables at a  time. The two pairs are momentum and 

position, energy and time, and Heisenberg developed a thought experiment for both. Outlined below 

is Heisenberg’s “Gamma‐ray microscope” thought‐experiment. 

 

Diagram 4: The 'Gamma‐Ray Microscope' Thought experiment 

Heisenberg pictured a microscope, which obtained very high resolution through a use of high‐energy 

gamma rays for illumination. While no such microscope has been constructed, it would be possible to 

construct in principle.  As in the diagram above, an electron sits beneath the centre of the microscope 

lens,  which  form  a  cone  of  angle  2θ  from  the  electron.  Gamma  rays  (the  highest  energy 

electromagnetic waves with a tiny wavelength, <10 pm) are emitted from a source to the left of the 

electron. The microscope can then ‘see’ objects down to the size ∆x, which is related to the wavelength 

A through the expression: 

∆2 sin

 

Where L is the wavelength of the gamma ray in m, and   is half the angle of the cone formed from the 

edges of the lens to the electron, as shown in the above diagram. In quantum mechanics, where light 

acts as a particle (as mentioned above) the gamma ray striking the electron will give it a ‘kick’. As the 

ray is diffracted by the electron into the microscope lens, the electron is thrust to the right. The total 

momentum of the gamma ray is given by the formula: 

Page 17: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 16 of 28  

Where  p  is  the momentum,  h  is  Planck’s  constant  and  L  is  the  wavelength.  If  the  gamma  ray  is 

diffracted to the right edge of the lens, the total momentum in the x direction would be the sum of 

the electron’s momentum p’x in the x‐direction and the gamma rays momentum in the x direction: sin

 

Where px is the total momentum, p’x is the momentum of the electron (along the x‐axis), and L’ is the 

wavelength of the deflected gamma ray. If the ray is diffracted in the other extreme, and it strikes the 

left  edge of  the  lens,  the  total momentum  in  the  x‐direction, where p”x  is  the momentum of  the 

electron: 

sin 

Where L” is the wavelength of the diffracted gamma ray. 

As momentum is conserved, these two final momentums must be equal to the initial momentum, and 

therefore to each other: 

sin sin 

If   is small, then the wavelengths of the diffracted rays are similar, ( ′~1 "~ ) and therefore: 

∆2 sin

 

Since ∆ , a reciprocal relationship can be obtained between the minimum uncertainty in the 

measured position, ∆ , along the x‐axis, and the uncertainty in its momentum, ∆ , in the x‐direction. 

That is: 

∆∆

or ∆ ∆ h 

To incorporate more than minimum uncertainty, the “greater than” sign is added. This forms the 

basic shape of Heisenberg’s uncertainty relationship, a more careful derivation produces: 

∆ ∆ ≳2

 

This microscope demonstration is not fully valid, as all experiments have proven there to be no ‘real’ 

microscopic  interaction  between  the  photon  and  the  electron,  but  it  is  useful  to  demonstrate 

Heisenberg’s relation. The actual result  is derived working through the formal mathematics, which 

calculates probabilities for abstract quantum states. 

Note that his does not limit individual precise measurements, but as the standard deviation (scope for 

error) in one value approaches zero, the standard deviation for the other value approaches infinity.  

A  simplified  derivation  of  the  uncertainty/indeterminacy  relation  between  energy  and  time  is  as 

follows. As above, the object to be detected has an uncertainty in position ∆ . The photon that 

detects the object travels at speed c, and takes a time ∆∆

 to travel through the distance of 

                                                            1 Note: ~ means ‘approximately’ 

Page 18: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 17 of 28  

uncertainty. Hence,  the uncertainty  in  the measured  time when  the object  is  at    given position  is 

about: 

∆  

The photon can contribute some or all of its energy ( ) to the object, and the resulting 

uncertainty in the energy of the object as a result is: 

∆  

The product of the two uncertainties is then: 

∆ ∆  

Again, when the formal mathematics is used, Heisenberg’s actual result is derived: 

∆ ∆ ≳2

 

So Heisenberg’s uncertainty principles regarding canonically conjugate values are as follows: 

∆ ∆ ≳ 1and ∆ ∆ ≳  

Impact of Heisenberg’s contribution to the atomic model There was profound  consequences  linked  to  the  introduction of  probability  to  the  atomic 

model and quantum mechanics. The link between Heisenberg’s matrix mechanics and Schrodinger’s 

equation was mentioned briefly earlier. That relationship will be made clearer now.  

Independently of Heisenberg’s matrix mechanics, Erwin Schrodinger had developed a wave 

theory to mathematically portray quantum mechanics. Schrodinger disliked the probabilistic features 

of the matrix mechanics and was trying to reconcile classical and quantum theory. He thought that he 

was representing the wave nature of matter with his ‘matter waves’. The ‘Schrodinger equation’ is as 

follows (Bosi, et al., 2010): 

The wave function produced by this equation contains all the measurable information about 

a particle. It was, therefore, a great disappointment to Schrodinger when Max Born, who had worked 

with Bohr on developing his matrix mechanics, was the first to interpret its true nature. Born realised 

that  if  the  function    described  a  collection  of  many  electrons,  then    at  any  point  would  be 

proportional to the number of electrons expected to be found at that point. The disappointment to 

Schrodinger  was  that  his  wave  function  was  not  a  determinist  theory.  This  is,  as  Heisenberg’s 

interpretations were, a consequence of the wave‐particle duality of matter. If we treat electrons, for 

example on a wave basis, then   describes the amplitude over time, whereas if we treat them as a 

particle,  then    represents  the  probability  of  finding  the  particle  at  a  given  point.  

The  classical  theories  of  Newtonian  physics  are  known  as  deterministic,  as  they  can  be  used  to 

determine the position of an object at any point  in the future. For example,  if you shoot an arrow 

several times, with the exact same forces on it, the final position of the arrow can be predicted if the 

                                                            1 The symbol   is known as h‐bar, and represents the value  , because it occurs so often in Physics. 

Page 19: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 18 of 28  

forces  are  known,  and  the arrow will  strike  that  predicted  final  position every  time. When  it was 

developed,  the quantum mechanics  theory was completely  radical, as  it  stated that you could not 

even know the position and velocity of an object precisely, at the same time. As above, this is linked 

to  the  fact  that matter  is  not  simple waves  or  particles,  but  is  both.  The  resulting  proposition  of 

quantum mechanics is that there is some inherent unpredictability in nature. Neils Bohr was an avid 

supporter of this aspect of the quantum theory, and aspects of his arguments were touched on in the 

section regarding his model. The interpretation of the probabilistic nature of quantum mechanics and 

the deterministic nature of classical mechanics developed by Bohr and other prominent physicists 

became known as the ‘Copenhagen interpretation’ in honour of Bohr.  

This began, as above, with Heisenberg’s uncertainty principle. The determination of  future 

events through the knowledge of present values (respecting a particle or object) is known as causality. 

Heisenberg stated that the uncertainty principle denies causality, because since present values cannot 

be precisely determined simultaneously, then the future of that particle cannot be determined.  

The  Copenhagen  interpretation  states  that  even  ordinary  sized  objects  are  subject  to 

probability, as opposed to determinism. Quantum mechanics predicts that there is an extremely high 

probability that an object will obey classical laws of physics. Referring to the above analogy, this does 

have the potential consequence that there is a negligibly small probability that the arrow will suddenly 

curve  upwards,  rather  than  following  a  parabolic  arc.  These  quantum  laws,  however,  apply  to 

individual particles, and as the situation is made macroscopic, with vast quantities of particles, the 

probability of the object not obeying classical laws is effectively reduced to zero. This gives rise to the 

apparent  determinism.  It  is  only  when  very  small  numbers  of  particles  are  present  that  these 

probabilistic effects are relevant. There is therefore no deterministic principles in quantum mechanics, 

only statistical laws based on probability.  

It should also be pointed out that these probabilities are different to those associated with 

thermodynamics and the behaviour of gases. The latter probabilities occur due to there being such an 

enormous  number  of  particles  and  the  inability  to  keep  track  of  each.  Quantum  probabilities, 

however, are inherent in nature, and not a result of calculation and measuring limitations (Giancoli, 

2005). 

It should also be outlined that these probabilities are highly precise, such as the probabilities 

involved with card games, and rolling a dice, as opposed to the probabilities associated with sporting 

events and weather, which are merely estimates. 

Impact on Society While  society  is  not  necessarily  physically  impacted  immediately  by  such  philosophical 

interpretations as those outlined above, often highly controversial and radical theories do impact the 

psychological aspects of society, and in this instance, quite profoundly. Prominent physicists such as 

Einstein and Schrodinger did not accept the Copenhagen interpretation until very late in their lives. 

Einstein believed that the inability to calculate exact values represented that the quantum theory was 

incomplete, but Heisenberg and Born stated in a paper delivered to the Solvay conference: 

“We regard quantum mechanics as a complete theory for which the fundamental 

physical and mathematical hypotheses are no longer susceptible of modification.” 

‐Heisenberg and Max Born, paper delivered to Solvay Congress of 1927 (Cassidy, 

2002) 

Page 20: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 19 of 28  

Conflict between such prominent scientists flows through in some way to increased discussion and 

conversation in society. 

  The concepts described above have, however, allowed large developments in areas affecting 

all  of  society.  Equations  of  quantum  mechanics  are  used  to  understand  and  improve  computer 

components, metals, lasers, properties of chemicals etc. (Cassidy, 2002) Things such as the shape of 

snowflakes  and  the  operation  of  fluorescent  tubes  require  quantum  mechanics  to  understand. 

Electrons have been observed to pass between energy states at random, a phenomenon that would 

not occur unless the energy is uncertain at that point in time. This is an effect known as “tunnelling” 

and is what allows the nuclear reactions that power the sun to occur. These processes have been used 

by physicists  in micro‐electronics. One application is the delicate superconducting instruments that 

use electron tunnelling to detect tiny magnetic fields, which are used to safely scan the human brain.  

   

Page 21: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 20 of 28  

Wolfgang Pauli 

Brief History Wolfgang Pauli was born in Vienna, Austria 

on 25 April 1900, and died in Zurich, Switzerland on 

15  December  1958.  Within  twelve  months  of 

beginning his studies at the University of Munich, he 

had submitted three original papers on the theory of 

relativity,  and  all  were  published  before  his 

twentieth  birthday  (Bloor,  Wolfgang  Pauli,  n.d.). 

Pauli received his doctorate in 1921 and became an 

assistant  to  Max  Born  at  Gottingen.  In  1923  he 

moved  to  a  new  position  at  the  University  of 

Hamburg.  He  became  professor  of  theoretical 

physics  at  the  Federal  Institute  of  Technology  in 

Zurich  in  1928.  During  WWII,  he  worked  at  the 

Institute for Advanced Studies at Princeton in New 

Jersey,  afterwards  returning  to  Zurich  where  he 

died.  Note  that  a  large  part  of  Pauli’s  work  and 

discoveries occurred before Heisenberg’s. 

Contributions to the Atomic Model Pauli received his initial doctorate for theoretical work on the hydrogen ion. When he moved 

to Gottingen to become assistant to Born, he began to work on the anomalous Zeeman effect. He had 

decided that Bohr’s model needed to be modified, because each electron was only defined by two 

quantum numbers, and multiple electrons could possess the same two numbers. He found that the 

theory of the time to explain the Zeeman effect (involving a magnetic moment in the core of the atom), 

was  incorrect.  Pauli was  disconcerted  by  the  fact  that  there was  still  no  complete  theory  for  the 

structure of the periodic table of the elements, and no explanation for why all the electrons did not 

crowd  into  the  lowest  orbital.  He  perceived  that  this  problem  and  the  Zeeman  effect  he  was 

investigating. Pauli is most famous for his exclusion principle, which states that within an atom, every 

electron  has  a  unique  set  of  four  quantum  numbers.  The  concept  of  quantum  numbers must  be 

addressed before this principle can be discussed. 

Quantum  numbers  were  first  conceived  in  Bohr’s  quantum‐classical  hybrid  theory  of  the 

atom. The principal quantum number, n originally signified the number energy level, with the ground 

state or lowest energy level corresponding to n=1. The second quantum number introduced by Bohr 

was angular momentum, but this  is described a little differently today. The third quantum number 

was introduced by an English physicist, Edmond C. Stoner. This number was the magnetic quantum 

number. Pauli, to complete the theory of quantum numbers, proposed a fourth number. Unlike the 

other three numbers, which had a physical explanation, Pauli could not explain his reasoning for the 

fourth number, describing it as “a two‐valuedness not describable classically”. A summary of the four 

quantum numbers and what they represent is as follows: 

The principal quantum number, n, can have any value from 1 to ∞. This number specifies the 

energy of an electron and the size of the orbital (the distance from the nucleus of a peak in a radial 

probability distribution plot). All electrons with the same value of n are regarded as in the same ‘shell’ 

or level. The total number of orbitals is given by n2. The other three quantum numbers are derived 

from the principal quantum number. 

Figure 8: Wolfgang Pauli (Source: https://www.nobelprize.org) 

Page 22: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 21 of 28  

The orbital/azimuthal/secondary quantum number, l, is related to the angular momentum 

of the electron. This number can have values of  0, 1, 2, 3… 1 1. This number is related to the 

actual angular momentum by2: 

1  

 

In hydrogen, the energy is governed nearly entirely by n, but in atoms with two or more electrons, the 

energy depends on both n and l. The orbital quantum number also specifies the shape and type of 

sub‐orbital or subshell the electron is in. Sub‐orbitals, within the primary orbital, are given a letter that 

is linked to the secondary quantum number: 

l  0  1  2  3  4  5  … Letter3  s  p  d  f  g  h  … 

So an electron  in  the third shell,  in  the d subshell, would be  in 3d. As  l  increases,  there  is a slight 

increase in the energy of the subshell (s<p<d<f<…). The number of orbitals in a subshell is equal to 

2l+1. 

The magnetic  quantum  number,  ml  is  related  to  the  direction  of  the  electron’s  angular 

momentum, and can any value within  the  inequality  . The value ml  is a vector, and a 

consequence of this is that both it’s magnitude and direction are quantised. This is known as space 

quantisation, and determines the orientation in space of the orbital. In quantum mechanics, angular 

momentum  is usually  specified by giving  its  component along  the z‐axis  (an arbitrary choice).  Lz  is 

subsequently defined2: 

 

Lx and Ly are not definite, however. The name of this quantum number is derived from experiment, 

namely that regarding the Zeeman effect.  It was found that the energy  levels must be split, which 

implied  that  the energy of a  state must depend not only on n but on ml when a magnetic  field  is 

applied, hence its name (Giancoli, 2005). 

The  fourth  number,  first  introduced  by  Pauli  as  a  mathematical  convenience,  is  the  spin 

quantum number, ms. The inability to explain its existence disturbed Pauli, as it could not be derived 

from Schrodinger’s original theory as the others could. P.A.M. Dirac made a subsequent modification 

to show that electron ‘spin’ was a relativistic effect. ms can only equal two quantities,  . 

These  two  states  are  generally  referred  to  as  ‘spin‐up’  and  ‘spin‐down’,  although  the  concept  of 

electron  spin  is an  intrinsic property, as electrons cannot even be considered as  localised objects, 

much  less  spinning  ones.  A  need  for  this  number  was  observed  when  it  was  found  through 

experimentation that the spectral lines of hydrogen were each made up of multiple lines, and it was 

hypothesised to be due to an angular momentum associated with the electron ‘spinning’. The tiny 

variations in energy levels is due to the interaction between the tiny current of the spinning electron 

interacting with the magnetic field due to the orbiting charge.  

When  an  atom  has more  than  one  electron,  the  energy  levels  are  different  to  Hydrogen,  as  the 

electrons interact with each other, as well as with the nucleus. Each electron in a complex atom still 

                                                            1 Bohr originally assigned l = 1 to the ground state. 2 Remember,   3 The letters s, p, d and f were originally abbreviations of “sharp”, “principal”, “diffuse” and “fundamental”, experimental terms referring to the spectra 

Page 23: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 22 of 28  

possesses its own set of four numbers, and with atoms larger than hydrogen, the energy levels depend 

on both n and l. In the years following 1925, the new quantum theory was successful in dealing with 

complex atoms, although the mathematics became increasingly complicated, since the electrons are 

attracted to the nucleus and repelled by each other.  

  The Pauli exclusion principle helped to simplify and provide a basis for understanding complex 

atoms,  bonding  and  molecules  better,  among  other  phenomena.  The  principle  can  be  stated  as 

follows:  

No two electrons in an atom can occupy the same quantum state 

Impact of Pauli’s contribution on the atomic model This principle provided the first theoretical basis to understand the structure of the periodic table. The 

nature of the periodic table groupings can be discussed referencing shells and sub‐shells. The noble 

gases  in  column VIII have  filled shells and subshells. Due  to  the outermost  subshell being  full,  the 

electron  distribution  is  spherically  symmetric.  This  symmetry  means  that  no  other  electrons  are 

attracted, and none are lost. Reciprocally, the outer s shell in alkali metals (column I) spends most of 

its time in the inner shells and is ‘shielded’ from the effect of the charge on the nucleus, and is only 

subjected to a net charge of about +1e. This allows the outer electron to be quite readily removed.  

Pauli’s exclusion principle was also later found to apply to any system of fermions, which have half‐

integer spin, but not bosons, which have integer spin. These two categories of particles are part of the 

continued exploration of the atom which followed Bohr, Heisenberg and Pauli. Pauli did continue to 

contribute to the atomic model, and predicted the existence of the neutrino, to compensate for the 

apparent lack of energy conservation in beta decay. 

A spectacular consequence of the exclusion principle in astrophysics is demonstrated in white dwarfs 

and  neutron  stars.  A  star  that  is  defined  as  ‘active’  is  in  equilibrium  between  the  gravity  pulling 

everything  towards  its  centre  and  the  pressure  created  through  nuclear  fusion. When  this  fusion 

ceases, the star collapses. If the star is below a certain mass, the collapse of the star will be halted by 

the exclusion principle, known as electron degeneracy pressure, and the star is called a white dwarf. 

If the star is above a certain mass, the exclusion principle works in relation to the neutrons, and the 

collapse is halted due to neutron degeneracy pressure. These degeneracy pressures establish a new 

equilibrium with gravity, and if this force is also overcome, a black hole is formed 9 (Fundamentals of 

Quantum Mechanics, n.d.) 

Furthermore, no two electrons in a solid can occupy the same state, which leads to the band theory 

of solids, applicable to semiconductors, conductors and insulators.  

Impact on Society Pauli’s discovery, similarly to Heisenberg’s, did not impact directly on society. The exclusion theory 

rather allowed for a rapid progression of quantum mechanics and hence the structure of the atom. 

The introduction of the principle allowed for a greater understanding of molecular bonding, the 

periodic table, band theory of solids (as above) and when later applied to fermions and bosons, to 

superconductivity. These advancements are among the thousands of others that would have 

occurred through an understanding of Pauli’s exclusion principle. These scientific and technological 

advancements have subsequently allowed a rise in living standards and increase in the productivity 

of economies. Considering broad effects such as these helps to understand the true import of 

momentous breakthroughs in quantum mechanics. Understanding of the small leads to 

development of the big.   

Page 24: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 23 of 28  

Future possible developments Since the time of Heisenberg and Pauli, there has been significant developments of the atomic model 

and associated research. In 1930, Paul Dirac proposed the existence of anti‐particles (for example, a 

positron  is  the  anti‐particle  of  an  electron,  and  has  a  positive  charge  equal  in magnitude),  James 

Chadwick discovered neutrons  in 1932, nuclear fission was discovered by Lise Meitner, Otto Hahn, 

and Strassman in 1938 and Glenn Seaborg discovered eight trans‐uranium elements in 1941‐51. The 

proposal of the quark model by Murray Gell‐Mann in 1964 was the next significant development of 

the atomic model. This was also developed independently of Mann by George Zweig. 

The Quark model/The Standard Model By  the mid‐1930s,  atoms were  regarded  as  being made  up  of  neutrons  (neutral  charge), 

protons (positive charge, +e), and electrons (negative charge, ‐e), and atoms were no longer the basic 

constituents of matter. There was six ‘elementary particles’ that were known, as well as the positron 

(positive electron),  the neutrino  (proposed by Pauli) and the   particle  (photon).  In the 1950s and 

1960s,  there were many new particles discovered, which were similar  to  the proton and neutron. 

Other particles, of masses between the nucleons (proton and neutron) and the electron were also 

discovered,  and  were  named  mesons.  Physicists  theorised  that  these  were  made  up  of  smaller 

fundamental particles, and named these quarks.  

In  the  Standard Model,  what we  use  today,  there  is  quarks  (make  up  the  protons,  neutrons  and 

mesons) and leptons (a classifications including electrons, positrons and neutrinos). These are then 

complemented by what  are  known as  ‘force  carriers’  and  include  the photon as well  as what  are 

known  as  photons.  The  discovery  of  these  particles  occurred  as  the  equipment  available  to 

experimental  physicists  developed  further.  Particle  accelerators  were  made  more  powerful, 

instruments more sensitive, and particles were probed deeper and deeper.  

An extended discussion on  the  formulation of  this  theory will not be  included, but  instead a brief 

summary of the current theory is provided to facilitate a discussion of the further development of the 

theory.  

The  Standard model  consist  of  fundamental  particles  which  fall  under  two  categories.  These  are 

fermions, to which the Pauli exclusion principle applies, and bosons, which are force carriers. 

The fermions consist of quarks and leptons, each arranged in three generations. Quarks are 

generally referred to as fundamental, point‐like particles which interact via the strong nuclear force. 

Quarks, like electrons can be described with quantum numbers, but quarks have six to describe them 

(Charge‐Q, Baryon Number‐B, Strangeness‐S, Charm‐c, Bottomness‐b, Topness‐t). There is six quarks 

(Up(u), Down(d), Strange(s), Charmed(c), Bottom(b) and Top(t)) and each has an anti‐quark, indicated 

by a bar above its symbol. A meson is made from a quark‐anti‐quark pair. A Baryon such as a proton 

is made from three quarks. Scientists are yet to  isolate a single quark, due to  the enormous force 

between  them.  Leptons  are  particles  which  interact  via  the  weak  nuclear  force,  and  include  the 

electron ( ), muon ( ) and tau ( ), along with their respective neutrino (electron neutrino, muon 

neutrino  and  tau  neutrino).  Each  of  these  also  has  an  antiparticle.  Their  quantum  numbers were 

explored in the section analysing Pauli’s exclusion principle. 

Quarks and Leptons, collectively known as fermions, all have half‐integer spin and obey the 

Pauli exclusion principle. Gauge Bosons, however, have integer spins and do not obey the principle. 

The gauge bosons are known as  ‘force carriers’, or  ‘field particles’. The gluon (g)  is responsible for 

carrying the strong nuclear force, and is what binds quarks and anti‐quarks together. The weak nuclear 

force is carried by the Z boson ( ), and is responsible for radioactivity. The photon ( ) carries the 

Page 25: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 24 of 28  

electromagnetic  force,  responsible  for  interactions  between  charged  particles.  The  ‘electro‐weak’ 

force, a combination of the weak nuclear force and electromagnetic force, is carried by the W ( ∓) 

bosons, and is also responsible for radioactivity. A fourth questionable boson, the graviton, has been 

proposed, to carry the gravitational force. Another more unique boson was also discovered in 2012 

(although it was proposed much earlier), the Higgs Boson particle. As can be seen in figure 8 below, 

the W and Z bosons have a mass, as opposed to the photon and the gluon. The Higgs boson particle 

acts to slow the W and Z bosons down, so they travel at less than the speed of light, and this gives 

them mass.  

The fundamental particles of the standard model are summarised in the diagram below: 

 

Figure 9: A summary of the fundamental particles in the Standard Model (Source: http://www.quantumdiaries.org)  

The electroweak theory involves the weak and electromagnetic forces being regarded as a different 

manifestation of a more fundamental electroweak interaction. Quantum chromodynamics (QCD) is a 

whimsical theory where there are three different colour variations of each quark, red, green and blue. 

Likewise,  the  anti‐quarks  are  anti‐red,  anti‐green  and  anti‐blue.  Three  quarks  of  different  colours 

create a colourless or white particle, as does a colour with its anti‐colour. These colours act as a form 

of charge  regarding  the strong nuclear  force,  like a negative electric charge  is associated with  the 

electromagnetic  force.  The  gluons  therefore  carry  colour  between  quarks/anti‐quarks.  The 

combination  of  the  electroweak  and  quantum  chromodynamics  forms  the  basis  of  the  Standard 

Model.  

 

Page 26: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 25 of 28  

Grand Unified Theories (GUTs) There a range of theories which attempt to integrate all forces with each other, much the same as the 

electroweak interaction was formed. One theory suggests that the strong, weak and electromagnetic 

forces become equal, and leptons and quarks become part of the same family. This only occurs within 

distances  of  10‐32m,  and  corresponding  energies  of  around  1016  GeV1  (Giancoli,  2005).  Once  the 

separation  between  the  particles  is  greater  than  this  distance,  the  different  forces  become 

distinguishable, and the different particles begin obeying what is known as baryon and lepton number 

conservation. These theories are very difficult to test experimentally, due to the enormous energies 

involved,  but hence present physicists with  a  challenge. One  testable prediction  is  the decay of  a 

proton, which was not originally thought to occur. The summary given is of the more simplified GUTs, 

and there is a range of more complex theories. 

String Theory and Supersymmetry Two other ambitious theories are the String theory and Supersymmetry. These theories attempt to 

incorporate gravity as well as all the other forces. String theories  imagine the elementary particles 

explained above as one‐dimensional  strings, perhaps 10‐35m  long  (Giancoli,  2005).  Supersymmetry 

predicts  that  there  is  interactions  that  change  fermions  into  bosons  and  vice  versa,  and  that  all 

fermions would have supersymmetric boson partners. For example, each quark, which is a fermion, 

would  have  a  supersymmetric  boson  known  as  a  squark.  Photons  would  have  supersymmetric 

fermions known as photinos, and gluons, gluinos. The graviton  is also part of  the  supersymmetric 

model.  Supersymmetric  theories  have  been  suggested  to  be  able  to  explain  “dark matter2”.  One 

reason that has been suggested to explain current  inability to produce supersymmetric particles  is 

that they are much heavier than the particles able to be produced in our current particle accelerators. 

   

                                                            1 GeV = Giga‐electron volt = 109 eV 2 Matter which does not emit radiation, this unobservable. Detected only through gravitational effects, and thought to make up a large part of the universe. 

Page 27: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 26 of 28  

Conclusion In summary, the atomic model has been restructured a number of times over the past 2500 years. 

The period of swiftest advancement was in the 20th century, during which the Rutherford‐Bohr 

model evolved, introducing quantum physics to the model for the first time. Heisenberg and 

Schrodinger then paved the way with two different methods of displaying an identical, quantum 

mechanical theory, which did away entirely with the classical theories. Heisenberg then published 

his uncertainty principle, which had enormous implications for the study of quantum mechanics, and 

led to the famous Copenhagen interpretation of physics, explaining the existence of classical 

mechanics on a macroscopic level. Pauli’s exclusion principle then allowed a theoretical explanation 

of the structure of the periodic table for the first time, and his subsequent contributions to the 

particle model in the form of the neutrino again advanced our understanding of the elementary 

particles. 

These scientific advancements on scales which use femtometres and nanometres led to enormous 

upheavals in the study and understanding of the atom, and quantum mechanics is now one of the 

two great pillars of physics, the other being relativity. This allowed for much further development, 

the effects of which flowed through to society, from philosophical discussions to advancements in 

technology. 

Todays standard model incorporates a much larger range of elementary particles, from quarks to 

gluons to Higgs particles. Future development of these theories includes grand unified theories, 

supersymmetric theories and string theories. The study of the construction of the atom is one of the 

most promising aspect of modern physics, and will remain so for a long time into the future. 

 

   

Page 28: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 27 of 28  

Bibliography Andriessen, M., Pentland, R. G., McKay, B., Tacon, J., & Morante, R. (2003). Physics 2 HSC course. 

Milton, QLD: John Wiley & Sons Australia, Ltd. 

Atomic Heritage Foundation. (n.d.). Werner Heisenberg. Retrieved April 13, 2017, from Atomic 

Heritage Foundation: http://www.atomicheritage.org/profile/werner‐heisenberg 

Beyler, R. (2017, January 24). Werner Heisenberg. Retrieved April 13, 2017, from Encyclopaedia 

Britannica: https://www.britannica.com/biography/Werner‐Heisenberg 

Bloor, J. E. (n.d.). Wolfgang Pauli. Retrieved May 12, 2017, from Chemistry Explained: 

http://www.chemistryexplained.com/Ny‐Pi/Pauli‐Wolfgang.html 

Bloor, J. E. (n.d.). Wolfgang Pauli. Retrieved April 14, 2017, from Chemistry Explained: 

http://www.chemistryexplained.com/Ny‐Pi/Pauli‐Wolfgang.html 

Bohr's Model of the Atom. (n.d.). Retrieved April 18th, 2017, from Quarkology: 

http://www.quarkology.com/12‐physics/98‐quanta‐quarks/98A‐bohr‐model.html 

Bosi, S., O'Byrne, J., Fletcher, P., Khachan, J., Stanger, J., & Woodward, S. (2010). In2 Physics @ HSC. 

Melbourne, VIC: Pearson Australia. 

Brittanica. (2015, August 9). Werner Heisenberg. Retrieved April 13, 2017, from Brittanica: 

https://www.britannica.com/biography/Werner‐Heisenberg 

Cassidy, D. C. (2002, May). Werner Heisenberg. Retrieved May 12, 2017, from American Institute of 

Physics: http://history.aip.org/history/exhibits/heisenberg/p01.htm 

Ellis, J. (2002). Limits of the Standard Model. Geneva, Switzerland: CERN. 

Encyclopaedia Britannica. (2017, January 19). Wolfgang Pauli. Retrieved April 13, 2017, from 

Encyclopaedia Britannica: https://www.britannica.com/biography/Wolfgang‐Pauli 

Fundamentals of Quantum Mechanics. (n.d.). Pauli Exclusion Principle. Retrieved May 12, 2017, from 

Fundamentals of Quantum Mechanics: 

http://people.physics.anu.edu.au/~cms130/phys2013/fundamentals/Pauli.htm 

Gagnon, P. (n.d.). The Standard Model: a beautiful but flawed theory. Retrieved May 15, 2017, from 

Quantum diaries: http://www.quantumdiaries.org/2014/03/14/the‐standard‐model‐a‐

beautiful‐but‐flawed‐theory/ 

Giancoli, D. C. (2005). Physics. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education, Inc. 

Warren, N. (2008). HSC Physics. Glebe, NSW: Pascal Press. 

Werner Heisenberg. (n.d.). Retrieved April 13, 2017, from A Short History of the Atom: https://the‐

history‐of‐the‐atom.wikispaces.com/Werner+Heisenberg 

 

 

   

   

Page 29: Physics AT3‐Part A The development of the quantum

Physics AT3 Part A‐ Research and Report: Secondary Sources   

Page 28 of 28  

Appendix‐Common Constants and Variables 

Constants QUANTITY  SYMBOL  APPROXIMATE 

VALUE CURRENT BEST VALUE1 (GIANCOLI, 2005) 

Speed of light in a Vacuum  c  3.00 x 108 ms‐1  2.99792458 x 108 ms‐1 Charge on electron  e  1.60 x 10‐19 C  1.60217653(14) x 10‐19 C Planck’s Constant  h  6.63 x 10‐34 Js  6.6260693(11) x 10‐34 Js Electron rest mass  me  9.11 x 10‐31 kg  9.1093826(16) x 10‐31 kg Proton rest mass  mp  1.6726 x 10‐27 kg  1.67262171(29) x 10‐27 kg Neutron rest mass  mn  1.6749 x 10‐27 kg  1.67492728(29) x 10‐27 kg Magnetic force constant  k  2.00 x 10‐7 N A‐2  2.00 x 10‐7 N A‐2 

 

Variables SYMBOL  VALUE  SI UNITS 

m  Mass  kg v  Velocity  ms‐1 Ek  Kinetic Energy  J Ep  Potential Energy  J F  Force  N Q  Charge  C r  Radius  m f  Frequency  Hz   Wavelength  m 

p  Momentum  kg ms‐1 

 

 

                                                            1 Brackets indicate a slight experimental uncertainty in final digits