All'inizio del XX secolo, il fisico danese Niels Bohr ha dato molti contributi alla teoria atomica e alla fisica quantistica. Tra questi ci sono il suo modello dell'atomo, che era una versione migliorata del precedente modello atomico di Ernest Rutherford. Questo è ufficialmente noto come modello Rutherford-Bohr, ma è spesso chiamato modello Bohr in breve.
Il modello di Bohr dell'atomo
Il modello di Rutherford conteneva un nucleo compatto, caricato positivamente, circondato da una nuvola diffusa di elettroni. Ciò ha portato naturalmente a un modello planetario dell'atomo, con il nucleo che agisce come il sole e gli elettroni come pianeti in orbite circolari come un sistema solare in miniatura.
Un fallimento chiave di questo modello, tuttavia, era che gli elettroni (a differenza dei pianeti) avevano una carica elettrica diversa da zero e quindi avrebbero irradiato energia mentre orbitano attorno al nucleo. Ciò li avrebbe portati a cadere nel centro, irradiando una "macchia" di energie attraverso lo spettro elettromagnetico mentre cadevano. Ma si sapeva che gli elettroni avevano orbite stabili e le loro energie irradiate si manifestavano in quantità discrete chiamate righe spettrali.
Il modello di Bohr era un'estensione del modello di Rutherford e conteneva tre postulati:
- Gli elettroni sono in grado di muoversi in determinate orbite stabili discrete senza irradiare energia.
- Queste orbite speciali hanno valori di momento angolare che sono multipli interi della costante di Planck ridotta (a volte chiamata h-bar).
- Gli elettroni possono guadagnare o perdere quantità di energia molto specifiche solo saltando da un'orbita all'altra in passaggi discreti, assorbendo o emettendo radiazioni di una frequenza specifica.
Il modello di Bohr in meccanica quantistica
Il modello di Bohr fornisce una buona approssimazione del primo ordine dei livelli di energia per atomi semplici come l'atomo di idrogeno.
Il momento angolare di un elettrone deve essere
L = mvr = n\hbar
dovemè la massa dell'elettrone,vè la sua velocità,rè il raggio di orbita attorno al nucleo e il numero quanticonè un numero intero diverso da zero. Poiché il valore più basso dinè 1, questo dà il valore più basso possibile del raggio orbitale. Questo è noto come raggio di Bohr ed è di circa 0,0529 nanometri. Un elettrone non può essere più vicino al nucleo del raggio di Bohr ed essere ancora in un'orbita stabile.
Ogni valore dinfornisce un'energia definita a un raggio definito noto come guscio di energia o livello di energia. In queste orbite, l'elettrone non irradia energia e quindi non cade nel nucleo.
Il modello di Bohr è coerente con le osservazioni che portano alla teoria quantistica come il fotoelettrico di Einstein effetto, le onde di materia e l'esistenza di fotoni (sebbene Bohr non credesse nell'esistenza di fotoni).
La formula di Rydberg era nota empiricamente prima del modello di Bohr, ma si adatta alla descrizione di Bohr delle energie associate alle transizioni o ai salti tra stati eccitati. L'energia associata a una data transizione orbitale è
E=R_E\bigg(\frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}\bigg)
doveREè la costante di Rydberg, enfeniosono invalori degli orbitali finali e iniziali, rispettivamente.
Difetti del modello di Bohr
Il modello di Bohr fornisce un valore errato per il momento angolare dello stato fondamentale (stato di energia più bassa); il suo modello prevede un valore di quando si sa che il valore vero è zero. Il modello non è inoltre efficace nel prevedere i livelli di energia di atomi più grandi o atomi con più di un elettrone. È più preciso se applicato a un atomo di idrogeno.
Il modello viola il principio di indeterminazione di Heisenberg in quanto considera gli elettroni con orbite noteeposizioni. Secondo il principio di indeterminazione, queste due cose non possono essere conosciute contemporaneamente su una particella quantistica.
Ci sono anche effetti quantistici che non sono spiegati dal modello, come l'effetto Zeeman e l'esistenza di strutture fini e iperfini nelle righe spettrali.
Altri modelli di struttura atomica
Due principali modelli atomici sono stati creati prima di Bohr. Nel modello di Dalton, un atomo era semplicemente un'unità fondamentale della materia. Gli elettroni non sono stati considerati. J.J. Il modello di budino di prugne di Thomson era un'estensione di quello di Dalton, che rappresentava gli elettroni incorporati in un solido come l'uvetta in un budino.
Il modello della nuvola di elettroni di Schrödinger è venuto dopo quello di Bohr e ha rappresentato gli elettroni come nuvole di probabilità sferiche che crescono più dense vicino al nucleo.