ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Niels Bohr ได้มีส่วนสนับสนุนมากมายในทฤษฎีอะตอมและฟิสิกส์ควอนตัม กลุ่มคนเหล่านี้คือแบบจำลองอะตอมของเขา ซึ่งเป็นรุ่นปรับปรุงของแบบจำลองอะตอมก่อนหน้าโดยเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด มีชื่ออย่างเป็นทางการว่าโมเดล Rutherford-Bohr แต่มักเรียกสั้น ๆ ว่าโมเดล Bohr
แบบจำลองบอร์ของอะตอม
แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกที่มีขนาดกะทัดรัด ล้อมรอบด้วยกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนที่กระจายตัว สิ่งนี้นำไปสู่แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมโดยธรรมชาติ โดยนิวเคลียสทำหน้าที่เป็นดวงอาทิตย์และอิเล็กตรอนเป็นดาวเคราะห์ในวงโคจรเป็นวงกลมเหมือนระบบสุริยะขนาดเล็ก
ความล้มเหลวที่สำคัญของแบบจำลองนี้คืออิเล็กตรอน (ต่างจากดาวเคราะห์) มีประจุไฟฟ้าไม่เป็นศูนย์ และจะแผ่พลังงานออกมาในขณะที่พวกมันโคจรรอบนิวเคลียส สิ่งนี้จะนำไปสู่พวกเขาตกสู่ศูนย์กลาง แผ่พลังงาน "ละเลง" ข้ามสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าขณะที่พวกมันตกลงมา แต่เป็นที่ทราบกันดีว่าอิเล็กตรอนมีวงโคจรที่เสถียร และพลังงานที่แผ่ออกมาของอิเล็กตรอนนั้นเกิดขึ้นในปริมาณที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งเรียกว่าเส้นสเปกตรัม
แบบจำลองของบอร์เป็นส่วนเสริมของแบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ดและมีสมมติฐานสามประการ:
- อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ในวงโคจรคงที่ที่ไม่ต่อเนื่องได้โดยไม่แผ่พลังงานออกมา
- วงโคจรพิเศษเหล่านี้มีค่าโมเมนตัมเชิงมุมที่เป็นจำนวนเต็มทวีคูณของค่าคงที่พลังค์ที่ลดค่า ħ (บางครั้งเรียกว่า h-bar)
- อิเล็กตรอนสามารถรับหรือสูญเสียพลังงานในปริมาณที่เฉพาะเจาะจงมากเท่านั้นโดยการกระโดดจากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรหนึ่งเป็นขั้นตอนที่ไม่ต่อเนื่อง การดูดซับหรือการปล่อยรังสีที่มีความถี่เฉพาะ
แบบจำลองของบอร์ในกลศาสตร์ควอนตัม
แบบจำลองของบอร์ให้การประมาณระดับพลังงานที่ดีอันดับแรกสำหรับอะตอมอย่างง่าย เช่น อะตอมไฮโดรเจน
โมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนต้องเป็น
L = mvr = n\hbar
ที่ไหนมคือมวลของอิเล็กตรอนวีคือความเร็วของมันrคือรัศมีที่โคจรรอบนิวเคลียสและเลขควอนตัมนเป็นจำนวนเต็มที่ไม่เป็นศูนย์ เนื่องจากค่าต่ำสุดของนคือ 1 ซึ่งให้ค่ารัศมีการโคจรต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ สิ่งนี้เรียกว่ารัศมี Bohr และมีขนาดประมาณ 0.0529 นาโนเมตร อิเล็กตรอนไม่สามารถเข้าใกล้นิวเคลียสได้มากไปกว่ารัศมี Bohr และยังคงอยู่ในวงโคจรที่เสถียร
แต่ละค่าของนให้พลังงานที่แน่นอนในรัศมีที่แน่นอนที่เรียกว่าเปลือกพลังงานหรือระดับพลังงาน ในวงโคจรเหล่านี้ อิเล็กตรอนจะไม่แผ่พลังงานออกมาและไม่ตกลงไปในนิวเคลียส
แบบจำลองของบอร์สอดคล้องกับการสังเกตที่นำไปสู่ทฤษฎีควอนตัม เช่น โฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์ ผลกระทบ คลื่นสสาร และการมีอยู่ของโฟตอน (แม้ว่าบอร์จะไม่เชื่อในการมีอยู่ของ โฟตอน)
สูตร Rydberg เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วก่อนแบบจำลองของ Bohr แต่เหมาะกับคำอธิบายของ Bohr เกี่ยวกับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงหรือการกระโดดระหว่างสภาวะที่ตื่นเต้น พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนผ่านของวงโคจรที่กำหนดคือ
E=R_E\bigg(\frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}\bigg)
ที่ไหนRอีคือค่าคงที่ริดเบิร์กและนฉและนผมคือนค่าของออร์บิทัลสุดท้ายและออร์บิทัลเริ่มต้นตามลำดับ
ข้อบกพร่องของแบบจำลองของบอร์
แบบจำลองของบอร์ให้ค่าที่ไม่ถูกต้องสำหรับโมเมนตัมเชิงมุมของสถานะพื้น (สถานะพลังงานต่ำสุด) แบบจำลองทำนายค่าของ ħ เมื่อทราบว่าค่าจริงเป็นศูนย์ แบบจำลองนี้ยังไม่มีประสิทธิภาพในการทำนายระดับพลังงานของอะตอมที่ใหญ่กว่า หรืออะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว จะแม่นยำที่สุดเมื่อใช้กับอะตอมไฮโดรเจน
แบบจำลองนี้ละเมิดหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กโดยพิจารณาว่าอิเล็กตรอนรู้จักวงโคจรและสถานที่ ตามหลักการความไม่แน่นอน ทั้งสองสิ่งนี้ไม่สามารถรู้พร้อมกันเกี่ยวกับอนุภาคควอนตัมได้
นอกจากนี้ยังมีเอฟเฟกต์ควอนตัมที่ไม่ได้อธิบายโดยแบบจำลอง เช่น เอฟเฟกต์ Zeeman และการมีอยู่ของโครงสร้างแบบละเอียดและแบบไฮเปอร์ไฟน์ในเส้นสเปกตรัม
โครงสร้างอะตอมรุ่นอื่นๆ
แบบจำลองอะตอมหลักสองแบบถูกสร้างขึ้นก่อนของบอร์ ในแบบจำลองของดาลตัน อะตอมเป็นเพียงหน่วยพื้นฐานของสสาร อิเล็กตรอนไม่ได้รับการพิจารณา เจ.เจ. แบบจำลองพุดดิ้งพลัมของทอมสันเป็นส่วนขยายของดัลตัน ซึ่งแสดงอิเล็กตรอนที่ฝังอยู่ในของแข็งเหมือนลูกเกดในพุดดิ้ง
แบบจำลองเมฆอิเล็กตรอนของชโรดิงเงอร์เกิดขึ้นหลังของบอร์ และแสดงอิเล็กตรอนว่าเป็นเมฆทรงกลมของความน่าจะเป็นที่หนาแน่นขึ้นใกล้นิวเคลียส