Модель Бора: определение и развитие

В начале 20 века датский физик Нильс Бор внес большой вклад в теорию атома и квантовую физику. Среди них - его модель атома, которая была улучшенной версией предыдущей атомной модели Эрнеста Резерфорда. Это официально известно как модель Резерфорда-Бора, но часто для краткости ее называют моделью Бора.

Модель Резерфорда содержала компактное положительно заряженное ядро, окруженное диффузным облаком электронов. Это естественным образом привело к планетарной модели атома, в которой ядро ​​действует как солнце, а электроны как планеты на круговых орбитах, как миниатюрная солнечная система.

Ключевым недостатком этой модели, однако, было то, что электроны (в отличие от планет) имели ненулевой электрический заряд и, следовательно, излучали энергию, когда вращались вокруг ядра. Это привело бы к их падению в центр, при падении излучая "пятно" энергий по электромагнитному спектру. Но было известно, что электроны имеют стабильные орбиты, и их излучаемая энергия проявляется в дискретных количествах, называемых спектральными линиями.

Модель Бора была расширением модели Резерфорда и содержала три постулата:

1. Электроны могут двигаться по определенным дискретным стабильным орбитам, не излучая энергии.
2. Эти специальные орбиты имеют значения углового момента, которые являются целыми кратными уменьшенной постоянной Планка ħ (иногда называемой h-стержнем).
3. Электроны могут только набирать или терять очень определенное количество энергии, прыгая с одной орбиты на другую дискретными шагами, поглощая или испуская излучение определенной частоты.

Модель Бора обеспечивает хорошее приближение первого порядка уровней энергии для простых атомов, таких как атом водорода.

Угловой момент электрона должен быть

гдем- масса электрона,v- его скорость,рэто радиус, на котором он вращается вокруг ядра, и квантовое числопненулевое целое число. Поскольку наименьшее значениеправно 1, это дает наименьшее возможное значение радиуса орбиты. Это известно как радиус Бора, и он составляет приблизительно 0,0529 нанометра. Электрон не может быть ближе к ядру, чем радиус Бора, и при этом оставаться на стабильной орбите.

Каждое значениепобеспечивает определенную энергию на определенном радиусе, известном как энергетическая оболочка или энергетический уровень. На этих орбитах электрон не излучает энергию и поэтому не падает в ядро.

Модель Бора согласуется с наблюдениями, ведущими к квантовой теории, такой как фотоэлектрическая теория Эйнштейна. эффект, волны материи и существование фотонов (хотя Бор не верил в существование фотоны).

Формула Ридберга была эмпирически известна до появления модели Бора, но она соответствует описанию Бором энергий, связанных с переходами или скачками между возбужденными состояниями. Энергия, связанная с данным орбитальным переходом, равна

гдер_E- постоянная Ридберга, ап_жа такжеп_яявляютсяпзначения конечной и начальной орбиталей соответственно.

Модель Бора дает неверное значение углового момента основного состояния (состояния с наименьшей энергией); его модель предсказывает значение, когда известно, что истинное значение равно нулю. Модель также неэффективна для предсказания уровней энергии более крупных атомов или атомов с более чем одним электроном. Это наиболее точно применительно к атому водорода.

Модель нарушает принцип неопределенности Гейзенберга, поскольку считает, что у электронов есть известные орбиты.а такжелокации. Согласно принципу неопределенности, эти две вещи нельзя одновременно знать о квантовой частице.

Существуют также квантовые эффекты, которые не объясняются моделью, такие как эффект Зеемана и наличие тонкой и сверхтонкой структуры в спектральных линиях.

До Бора были созданы две основные модели атома. В модели Дальтона атом был просто фундаментальной единицей материи. Электроны не рассматривались. J.J. Модель сливового пудинга Томсона была продолжением модели Дальтона, в которой электроны представлялись погруженными в твердое тело, как изюм в пудинге.

Модель электронного облака Шредингера пришла после модели Бора и представляла электроны как сферические вероятностные облака, которые становятся более плотными около ядра.