Model Bohra: definicja i rozwój

Na początku XX wieku duński fizyk Niels Bohr wniósł duży wkład w teorię atomową i fizykę kwantową. Wśród nich jest jego model atomu, który był ulepszoną wersją poprzedniego modelu atomowego Ernesta Rutherforda. Jest to oficjalnie znany jako model Rutherforda-Bohra, ale często nazywany jest w skrócie modelem Bohra.

Model Rutherforda zawierał zwarte, dodatnio naładowane jądro otoczone rozproszoną chmurą elektronów. To w naturalny sposób doprowadziło do powstania planetarnego modelu atomu, w którym jądro pełni rolę słońca, a elektrony planety na kołowych orbitach, przypominających miniaturowy układ słoneczny.

Kluczową wadą tego modelu było jednak to, że elektrony (w przeciwieństwie do planet) miały niezerowy ładunek elektryczny, a zatem promieniowały energią podczas okrążania jądra. Doprowadziłoby to do ich wpadnięcia do środka, wypromieniowania „smugi” energii w całym spektrum elektromagnetycznym, gdy spadały. Wiadomo było jednak, że elektrony mają stabilne orbity, a ich wypromieniowane energie występują w dyskretnych ilościach zwanych liniami widmowymi.

Model Bohra był rozszerzeniem modelu Rutherforda i zawierał trzy postulaty:

1. Elektrony mogą poruszać się po pewnych dyskretnych, stabilnych orbitach bez promieniowania energii.
2. Te specjalne orbity mają wartości momentu pędu będące całkowitymi wielokrotnościami zredukowanej stałej Plancka ħ (czasami nazywanej h-bar).
3. Elektrony mogą tylko zyskać lub stracić bardzo określone ilości energii, przeskakując z jednej orbity na drugą w dyskretnych krokach, pochłaniając lub emitując promieniowanie o określonej częstotliwości.

Model Bohra zapewnia dobre przybliżenie pierwszego rzędu poziomów energii dla prostych atomów, takich jak atom wodoru.

Moment pędu elektronu musi być

gdziemito masa elektronu,vjest jego prędkość,rjest promieniem, w którym krąży wokół jądra i liczby kwantowejniejest niezerową liczbą całkowitą. Od najniższej wartościniewynosi 1, co daje najniższą możliwą wartość promienia orbity. Jest to znane jako promień Bohra i wynosi około 0,0529 nanometra. Elektron nie może znajdować się bliżej jądra niż promień Bohra i nadal znajdować się na stabilnej orbicie.

Każda wartośćniezapewnia określoną energię o określonym promieniu, znanym jako powłoka energetyczna lub poziom energii. Na tych orbitach elektron nie promieniuje energią i nie wpada do jądra.

Model Bohra jest zgodny z obserwacjami prowadzącymi do teorii kwantowej, takiej jak fotoelektryka Einsteina efekt, fale materii i istnienie fotonów (chociaż Bohr nie wierzył w istnienie fotony).

Formuła Rydberga była znana empirycznie przed modelem Bohra, ale pasuje do opisu Bohra energii związanych z przejściami lub skokami między stanami wzbudzonymi. Energia związana z danym przejściem orbitalnym to

gdzieR_mijest stałą Rydberga inie_fainie_jaczy sąnieodpowiednio wartości orbitali końcowej i początkowej.

Model Bohra podaje nieprawidłową wartość momentu pędu stanu podstawowego (stanu o najniższej energii); jego model przewiduje wartość ħ, gdy wiadomo, że prawdziwa wartość wynosi zero. Model nie jest również skuteczny w przewidywaniu poziomów energii większych atomów lub atomów z więcej niż jednym elektronem. Jest najdokładniejszy, gdy stosuje się go do atomu wodoru.

Model narusza zasadę nieoznaczoności Heisenberga, ponieważ uważa, że ​​elektrony mają znane orbityilokalizacje. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności te dwie rzeczy nie mogą być jednocześnie znane o cząstce kwantowej.

Istnieją również efekty kwantowe, które nie są wyjaśnione przez model, takie jak efekt Zeemana oraz istnienie struktury subtelnej i nadsubtelnej w liniach widmowych.

Dwa główne modele atomowe powstały przed Bohra. W modelu Daltona atom był po prostu podstawową jednostką materii. Elektrony nie były brane pod uwagę. JJ Model puddingu śliwkowego Thomsona był rozszerzeniem modelu Daltona, który przedstawiał elektrony jako osadzone w bryle przypominającej rodzynki w budyniu.

Model chmury elektronowej Schrödingera pojawił się po modelu Bohra i przedstawiał elektrony jako kuliste chmury prawdopodobieństwa, które stają się gęstsze w pobliżu jądra.