Bohr-malli: Määritelmä ja kehitys

1900-luvun alkupuolella tanskalainen fyysikko Niels Bohr osallistui paljon atomiteoriaan ja kvanttifysiikkaan. Näihin kuuluvat hänen atomimallinsa, joka oli Ernest Rutherfordin parannettu versio edellisestä atomimallista. Tämä tunnetaan virallisesti nimellä Rutherford-Bohr-malli, mutta sitä kutsutaan usein Bohrin malliksi.

Rutherfordin malli sisälsi kompaktin, positiivisesti varautuneen ytimen, jota ympäröi diffuusi elektronipilvi. Tämä johti luonnollisesti atomin planeettamalliin, jossa ydin toimi aurinkona ja elektronit planeetoina pyöreillä kiertoradoilla kuin pienikokoinen aurinkokunta.

Tämän mallin keskeinen vika oli kuitenkin se, että elektronilla (toisin kuin planeetoilla) oli nollasähkövaraus ja ne säteilivät siksi energiaa kiertäessään ydintä. Tämä johtaisi siihen, että he putoaisivat keskelle ja säteilivät "tahroja" energioista sähkömagneettisen spektrin yli putoamisen aikana. Mutta tiedettiin, että elektroneilla oli vakaat kiertoradat, ja niiden säteilyenergiaa esiintyi erillisinä määrinä, joita kutsutaan spektriviivoiksi.

Bohrin malli oli jatkoa Rutherford-mallille ja sisälsi kolme postulaattia:

1. Elektronit pystyvät liikkumaan tietyillä erillisillä vakailla kiertoradoilla säteilemättä energiaa.
2. Näillä erityisillä kiertoradoilla on kulmamomenttiarvot, jotka ovat pienennetyn Planckin vakion integ (joskus kutsutaan h-palkin) kokonaislukukerroja.
3. Elektronit voivat saada tai menettää hyvin erityisiä energiamääriä vain hyppäämällä kiertoradalta toiselle erillisissä vaiheissa absorboimalla tai lähettämällä tietyn taajuuden säteilyä.

Bohrin malli tarjoaa hyvän ensiluokkaisen likiarvon yksinkertaisten atomien, kuten vetyatomin, energiatasoista.

Elektronin kulmamomentin on oltava

missämon elektronin massa,von sen nopeus,ron säde, jolla se kiertää ytimen ja kvanttiluvunnon nollasta poikkeava kokonaisluku. Koska pienin arvonon 1, tämä antaa kiertoradan pienimmän mahdollisen arvon. Tätä kutsutaan Bohrin säteeksi, ja se on noin 0,0529 nanometriä. Elektroni ei voi olla lähempänä ydintä kuin Bohrin säde ja olla silti vakaalla kiertoradalla.

Jokainen arvontarjoaa tietyn energian tietyllä säteellä, joka tunnetaan energian kuorena tai energiatasona. Näillä kiertoradoilla elektroni ei säteile energiaa, joten se ei putoa ytimeen.

Bohrin malli on yhdenmukainen havaintojen kanssa, jotka johtavat kvanttiteoriaan, kuten Einsteinin valosähköinen vaikutus, aineen aallot ja fotonien olemassaolo (vaikka Bohr ei uskonutkaan fotonit).

Rydberg-kaava tunnettiin empiirisesti ennen Bohrin mallia, mutta se sopii Bohrin kuvaukseen energioista, jotka liittyvät siirtymiin tai hyppyihin viritettyjen tilojen välillä. Annettuun kiertoradan muutokseen liittyvä energia on

missäR_Eon Rydbergin vakio jan_fjan_iovatnlopullisen ja ensimmäisen kiertoradan arvot.

Bohrin malli antaa väärän arvon perustilan (pienimmän energiatilan) kulmamomentille; sen malli ennustaa arvon ħ, kun todellisen arvon tiedetään olevan nolla. Malli ei myöskään ole tehokas ennustamaan suurempien atomien tai useamman kuin yhden elektronin sisältävien atomien energiatasoja. Se on tarkin käytettäessä vetyatomia.

Malli rikkoo Heisenbergin epävarmuusperiaatetta siinä mielessä, että elektronilla on tunnetut kiertoradatjasijainnit. Epävarmuusperiaatteen mukaan näitä kahta asiaa ei voida tunnistaa samanaikaisesti kvanttihiukkasesta.

On myös kvanttiefektejä, joita ei voida selittää mallilla, kuten Zeeman-vaikutus ja hieno- ja hyperhienorakenteen olemassaolo spektriviivoissa.

Ennen Bohrin mallia luotiin kaksi atomimallia. Daltonin mallissa atomi oli yksinkertaisesti aineen perusyksikkö. Elektroneja ei otettu huomioon. J.J. Thomsonin luumupuuromalli oli jatkoa Daltonin mallille, joka esitti elektroneja upotettuna kiinteään aineeseen kuten rusinoita vanukas.

Schrödingerin elektronipilvimalli tuli Bohrin jälkeen ja esitti elektroneja pallomaisina todennäköisyyspilvinä, jotka kasvavat tiheämmiksi ytimen lähellä.