В началото на 20-ти век датският физик Нилс Бор направи много приноси в атомната теория и квантовата физика. Сред тях са неговият модел на атома, който е подобрена версия на предишния атомен модел от Ърнест Ръдърфорд. Това е официално известно като модел на Ръдърфорд-Бор, но често се нарича накратко модела на Бор.
Моделът на Бор на атома
Моделът на Ръдърфорд съдържа компактно, положително заредено ядро, заобиколено от дифузен облак от електрони. Това естествено доведе до планетарен модел на атома, като ядрото действа като слънце, а електроните като планети в кръгови орбити като миниатюрна слънчева система.
Ключов провал на този модел обаче е, че електроните (за разлика от планетите) имат ненулев електрически заряд и следователно ще излъчват енергия, докато обикалят около ядрото. Това би довело до падането им в центъра, излъчвайки „намазка“ от енергии в електромагнитния спектър при падането им. Но беше известно, че електроните имат стабилни орбити и тяхната излъчена енергия се появява в дискретни количества, наречени спектрални линии.
Моделът на Бор е продължение на модела на Ръдърфорд и съдържа три постулата:
- Електроните могат да се движат по определени дискретни стабилни орбити, без да излъчват енергия.
- Тези специални орбити имат стойности на ъгловия момент, които са цели кратни на намалената константа на Планк ħ (понякога наричана h-bar).
- Електроните могат да получат или загубят много специфични количества енергия, като скачат от една орбита на друга на дискретни стъпки, абсорбирайки или излъчвайки лъчение с определена честота.
Моделът на Бор в квантовата механика
Моделът на Бор осигурява добро сближаване на енергийните нива от първи ред за прости атоми като водородния атом.
Ъглов момент на електрона трябва да бъде
L = mvr = n \ hbar
къдетоме масата на електрона,vе неговата скорост,rе радиусът, при който той обикаля около ядрото и квантовото числоне ненулево цяло число. Тъй като най-ниската стойност нане 1, това дава възможно най-ниската стойност на радиуса на орбитата. Това е известно като радиус на Бор и е приблизително 0,0529 нанометра. Електронът не може да бъде по-близо до ядрото от радиуса на Бор и все още да е в стабилна орбита.
Всяка стойност наносигурява определена енергия в определен радиус, известен като енергийна обвивка или енергийно ниво. В тези орбити електронът не излъчва енергия и така не попада в ядрото.
Моделът на Бор е в съответствие с наблюденията, водещи до квантовата теория като фотоелектрика на Айнщайн ефект, материални вълни и съществуването на фотони (въпреки че Бор не вярва в съществуването на фотони).
Формулата на Ридберг е била позната емпирично преди модела на Бор, но тя отговаря на описанието на Бор за енергиите, свързани с преходи или скокове между възбудени състояния. Енергията, свързана с даден орбитален преход е
E = R_E \ bigg (\ frac {1} {n_f ^ 2} - \ frac {1} {n_i ^ 2} \ bigg)
къдетоRЕ.е константата на Ридберг инеинiсанстойности на окончателната и началната орбитали, съответно.
Недостатъци на модела на Бор
Моделът на Бор дава неправилна стойност за ъгловия момент на основното състояние (състоянието на най-ниското енергийно състояние); неговият модел предсказва стойност ħ, когато истинската стойност е известна на нула. Моделът също не е ефективен при прогнозиране на енергийните нива на по-големи атоми или атоми с повече от един електрон. Той е най-точен, когато се прилага към водороден атом.
Моделът нарушава принципа на несигурност на Хайзенберг, тъй като счита, че електроните имат известни орбитииместоположения. Според принципа на несигурността тези две неща не могат да бъдат едновременно познати за квантовата частица.
Има и квантови ефекти, които не са обяснени от модела, като ефектът на Земан и съществуването на фина и свръхфинна структура в спектралните линии.
Други модели на атомна структура
Преди Бора са създадени два основни атомни модела. В модела на Далтън атомът е просто основна материална единица. Електроните не бяха разглеждани. J.J. Моделът на пудинг от слива на Томсън е продължение на този на Далтън, който представя електроните като вградени в твърдо вещество като стафиди в пудинг.
Моделът на електронния облак на Шрьодингер идва след Бора и представя електроните като сферични облаци на вероятността, които се уплътняват близо до ядрото.