Bohrov model: Definicija i razvoj

Početkom 20. stoljeća danski fizičar Niels Bohr dao je brojne doprinose atomskoj teoriji i kvantnoj fizici. Među njima su i njegov model atoma, koji je bio poboljšana verzija prethodnog atomskog modela Ernesta Rutherforda. Ovo je službeno poznato kao Rutherford-Bohrov model, ali često se kratko naziva Bohrovim modelom.

Rutherfordov model sadržavao je kompaktnu, pozitivno nabijenu jezgru okruženu difuznim oblakom elektrona. To je prirodno dovelo do planetarnog modela atoma, pri čemu je jezgra djelovala kao Sunce, a elektroni kao planeti u kružnim orbitama poput minijaturnog Sunčevog sustava.

Ključni neuspjeh ovog modela, međutim, bio je taj što su elektroni (za razliku od planeta) imali nula električnog naboja i zbog toga bi zračili energijom dok su kružili oko jezgre. To bi dovelo do toga da padnu u središte, zračeći "mrlju" energija kroz elektromagnetski spektar dok padaju. Ali bilo je poznato da elektroni imaju stabilne orbite, a njihove zračene energije javljale su se u diskretnim količinama koje se nazivaju spektralnim linijama.

Bohrov model bio je produžetak Rutherfordovog modela i sadržavao je tri postulata:

1. Elektroni se mogu kretati u određenim diskretnim stabilnim orbitama bez zračenja energije.
2. Te posebne orbite imaju vrijednosti kutnog momenta koji su cjelobrojni višekratnici reducirane Planckove konstante ħ (ponekad zvane h-bar).
3. Elektroni mogu dobiti ili izgubiti vrlo specifične količine energije preskačući s jedne orbite na drugu u diskretnim koracima, upijajući ili emitirajući zračenje određene frekvencije.

Bohrov model pruža dobru aproksimaciju približavanja razina energije prvog reda za jednostavne atome kao što je atom vodika.

Kutni moment gibanja elektrona mora biti

gdjemje masa elektrona,vje njegova brzina,rje radijus kojim kruži oko jezgre i kvantni brojnje cijeli broj koji nije nula. Budući da je najniža vrijednostnje 1, to daje najnižu moguću vrijednost radijusa orbite. To je poznato kao Bohrov radijus i iznosi približno 0,0529 nanometara. Elektron ne može biti bliže jezgri od Bohrovog radijusa i još uvijek biti u stabilnoj orbiti.

Svaka vrijednostndaje određenu energiju u određenom radijusu poznatom kao energetska ljuska ili energetska razina. U tim orbitama elektron ne zrači energijom i tako ne pada u jezgru.

Bohrov model u skladu je s opažanjima koja vode kvantnoj teoriji, poput Einsteinove fotoelektrike efekt, valovi materije i postojanje fotona (iako Bohr nije vjerovao u postojanje fotoni).

Rydbergova formula bila je empirijski poznata prije Bohrovog modela, ali odgovara Bohrovom opisu energija povezanih s prijelazima ili skokovima između pobuđenih stanja. Energija povezana s danim orbitalnim prijelazom je

gdjeR_Eje Rydbergova konstanta in_fin_jasunvrijednosti konačne, odnosno početne orbitale.

Bohrov model daje netočnu vrijednost kutnog momenta osnovnog stanja (stanja najniže energije); njegov model predviđa vrijednost ħ kad se zna da je istinska vrijednost nula. Model također nije učinkovit u predviđanju razine energije većih atoma ili atoma s više od jednog elektrona. Najtočniji je kada se primijeni na atom vodika.

Model krši Heisenbergov princip nesigurnosti jer smatra da su elektroni imali poznate orbiteilokacijama. Prema principu nesigurnosti, ove dvije stvari ne mogu se istovremeno znati o kvantnoj čestici.

Postoje i kvantni efekti koji se ne objašnjavaju modelom, poput Zeemanovog efekta i postojanja fine i hiperfine strukture u spektralnim linijama.

Dva su glavna atomska modela stvorena prije Bohrovog. U Daltonovom modelu atom je bio jednostavno temeljna jedinica materije. Elektroni nisu uzeti u obzir. J.J. Thomson-ov model pudinga od šljive bio je produžetak Daltonovog, koji je predstavljao elektrone ugrađene u krutinu poput grožđica u pudingu.

Schrödingerov model elektronskog oblaka došao je nakon Bohrova i predstavljao je elektrone kao sferne oblake vjerojatnosti koji postaju gušći u blizini jezgre.