Na počátku 20. století dánský fyzik Niels Bohr mnoho přispěl k atomové teorii a kvantové fyzice. Mezi ně patří jeho model atomu, který byl vylepšenou verzí předchozího atomového modelu Ernesta Rutherforda. Toto je oficiálně známé jako Rutherford-Bohrův model, ale krátce se mu často říká Bohrův model.
Bohrův model atomu
Rutherfordův model obsahoval kompaktní, kladně nabité jádro obklopené rozptýleným mrakem elektronů. To přirozeně vedlo k planetárnímu modelu atomu, kdy jádro působilo jako slunce a elektrony jako planety na kruhových drahách jako miniaturní sluneční soustava.
Klíčovým selháním tohoto modelu však bylo, že elektrony (na rozdíl od planet) měly nenulový elektrický náboj, a proto by vyzařovaly energii, když obíhaly jádro. To by vedlo k jejich pádu do středu a vyzařování „šmouhy“ energií napříč elektromagnetickým spektrem, jak padají. Bylo však známo, že elektrony mají stabilní dráhy a jejich vyzařované energie se vyskytují v diskrétních množstvích nazývaných spektrální čáry.
Bohrův model byl rozšířením Rutherfordova modelu a obsahoval tři postuláty:
- Elektrony jsou schopné se pohybovat na určitých diskrétních stabilních drahách bez vyzařování energie.
- Tyto speciální dráhy mají hodnoty momentu hybnosti, které jsou celočíselnými násobky redukované Planckovy konstanty ħ (někdy nazývané h-bar).
- Elektrony mohou získávat nebo ztrácet velmi specifická množství energie pouze skokem z jedné oběžné dráhy na jinou v jednotlivých krocích, absorbováním nebo emitováním záření určité frekvence.
Bohrův model v kvantové mechanice
Bohrův model poskytuje dobrou aproximaci energetických hladin prvního řádu pro jednoduché atomy, jako je atom vodíku.
Moment hybnosti elektronu musí být
L = mvr = n \ hbar
kdemje hmotnost elektronu,protije jeho rychlost,rje poloměr, ve kterém obíhá kolem jádra a kvantového číslanje nenulové celé číslo. Od nejnižší hodnotynje 1, dává to nejnižší možnou hodnotu orbitálního poloměru. Toto se nazývá Bohrův poloměr a je to přibližně 0,0529 nanometrů. Elektron nemůže být k jádru blíže než Bohrův poloměr a stále může být na stabilní oběžné dráze.
Každá hodnotanposkytuje určitou energii v určitém poloměru známém jako energetická skořápka nebo energetická úroveň. Na těchto drahách elektron nevyzařuje energii a tak nespadá do jádra.
Bohrův model je v souladu s pozorováními vedoucími ke kvantové teorii, jako je Einsteinova fotoelektrika efekt, hmotné vlny a existence fotonů (ačkoli Bohr v existenci nevěřil fotony).
Rydbergův vzorec byl empiricky známý před Bohrovým modelem, ale odpovídá Bohrovu popisu energií spojených s přechody nebo skoky mezi vzrušenými stavy. Energie spojená s daným orbitálním přechodem je
E = R_E \ bigg (\ frac {1} {n_f ^ 2} - \ frac {1} {n_i ^ 2} \ bigg)
kdeREje Rydbergova konstanta anFanijsounhodnoty konečné a počáteční orbitaly.
Nedostatky Bohrova modelu
Bohrův model udává nesprávnou hodnotu momentu hybnosti základního stavu (stavu nejnižší energie); jeho model předpovídá hodnotu ħ, když je známo, že skutečná hodnota je nula. Model také není účinný při předpovídání energetických hladin větších atomů nebo atomů s více než jedním elektronem. Nejpřesnější je, když je aplikován na atom vodíku.
Model porušuje Heisenbergův princip nejistoty v tom, že považuje elektrony za známé oběžné dráhyaumístění. Podle principu nejistoty nelze o kvantové částici vědět tyto dvě věci současně.
Existují také kvantové efekty, které model nevysvětluje, například Zeemanův jev a existence jemné a hyperjemné struktury ve spektrálních čarách.
Další modely atomové struktury
Před Bohrem byly vytvořeny dva hlavní atomové modely. V Daltonově modelu byl atom jednoduše základní jednotkou hmoty. Elektrony nebyly brány v úvahu. J.J. Thomsonův model švestkového pudingu byl rozšířením Daltonova, což představovalo elektrony jako vložené do pevné látky jako rozinky v pudinku.
Schrödingerův model elektronového mraku přišel po Bohrově a představoval elektrony jako sférické mraky pravděpodobnosti, které hustší poblíž jádra.