Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Fizica atomică și nucleară » Atomul de hidrogen

Atomul de hidrogen

Atomul de hidrogen(Un atom de hidrogen cu diametrul aproximativ de două ori raza modelului Bohr. (Imaginea nu este la scară))

General
Nume, simbol : protium, 1H
Neutroni : 0
Protoni : 1
Date nuclid
Abundența naturală : 99.985%
Masa izotopilor : 1.007825 u
Spin : 1/2
Energia în exces : 7288.969±0.001 keV
Energie de legătură >>> 0.000±0.0000 keV

Atomul de hidrogen este electric neutru conținând un singur proton încărcat pozitiv și un singur electron încărcat negativ legat la nucleu de forța Coulomb. Hidrogenul atomic reprezintă aproximativ 75% din masa barionică a universului.

În viața de zi cu zi de pe Pământ, atomii de hidrogen izolați (numiți “hidrogen atomic”) sunt extrem de rari. În schimb, hidrogenul are tendința de a se combina cu alți atomi în compuși sau cu el însuși pentru a forma gazul hidrogen normal (diatomic), H2. “Hidrogenul atomic” și “atomul de hidrogen”, în uzul obișnuit al limbii, au semnificații suprapuse, dar distincte. De exemplu, o moleculă de apă conține doi atomi de hidrogen, dar nu conține hidrogen atomic (care se referă la atomi de hidrogen izolați).

Încercările de a dezvolta o înțelegere teoretică a atomului de hidrogen au fost importante pentru istoria mecanicii cuantice. Acesta este singurul element fără un neutron.

Izotopi

Cel mai abundent izotop, hidrogen-1, protiu sau hidrogen ușor, nu conține neutroni și are doar un proton și un electron. Protiul este stabil și reprezintă 99,985% din atomii de hidrogen care apar în mod natural.

Deuteriul conține un neutron și un proton. Deuteriul este stabil, reprezintă 0,0156% din hidrogen natural, și este utilizat în procese industriale precum reactoarele nucleare și rezonanța magnetică nucleară.

Tritiul conține doi neutroni și un proton și nu este stabil, se dezintegrează cu un timp de înjumătățire de 12,32 ani. Datorită duratei scurte de înjumătățire, tritiul nu se găsește în natură, cu excepția unor cantități mici.

Izotopii mai mari ai hidrogenului sunt creați numai în acceleratoare și reactoare artificiale și au timpi de înjumătățire de ordinul a 10-22 secunde.

Formulele de mai jos sunt valabile pentru toți cei trei izotopi ai hidrogenului, dar pentru fiecare izotop de hidrogen trebuie utilizate valori ușor diferite ale constantei Rydberg (formula de corecție dată mai jos).

Ionul de hidrogen

Hidrogenul nu se găsește fără electronul său în chimia obișnuită (la temperaturile și presiunile camerei), deoarece hidrogenul ionizat este foarte reactiv chimic. Când hidrogenul ionizat este scris ca “H+” ca în solvația acizilor clasici, cum ar fi acidul clorhidric, se înțelege ionul de hidroniu, H3O+, nu un atom de hidrogen singur ionizat literal. În acest caz, acidul transferă protonul la H2O pentru a forma H3O+.

Hidrogenul ionizat fără electronul său, sau protonii liberi, sunt obișnuiți în mediul interstelar și vântul solar.

Atomul de hidrogen are o semnificație deosebită în mecanica cuantică și în teoria câmpului cuantic, ca un sistem fizic simplu, cu două corpuri, care a generat multe soluții analitice simple în formă închisă.

Descrierea clasică a eșuat

Experimentele lui Ernest Rutherford din 1909 au arătat că structura atomului este un nucleu dens, pozitiv, cu o sarcină negativă orbitând în jurul acestuia. Acest lucru a provocat imediat probleme cu privire la modul în care un astfel de sistem ar putea fi stabil. Electromagnetismul clasic a arătat că orice sarcină care accelerează generează energie descrisă prin formula Larmor. Dacă se presupune că electronul orbitează într-un cerc perfect și emite energia în mod continuu, electronul se va apropia rapid în spirală de nucleu cu un timp de cădere de:

tcădere ≈ a03/4r02c ≈ 1,6·10-11 s

unde când a0 este raza Bohr și r0 este raza clasică a electronului. Dacă aceasta ar fi adevărat, toți atomii ar colapsa instantaneu, totuși atomii par să fie stabili. În plus, spiralele interioare ar elibera energie la frecvențe electromagnetice cu spectru continuu pe măsură ce orbita ar deveni mai mică. În schimb, atomii s-au observat că emit numai frecvențe discrete de radiații. Această problemă s-a rezolvat prin dezvoltarea mecanicii cuantice.

Modelul Bohr-Sommerfeld

În 1913, Niels Bohr a obținut nivelele de energie și frecvențele spectrale ale atomului de hidrogen după ce a făcut o serie de ipoteze simple pentru a corecta modelul clasic eșuat. Ipotezele au inclus:

  1. Electronii pot fi numai pe anumite orbite circulare discrete sau stări, având astfel un set discret de posibile raze și energii.
  2. Electronii nu emit radiații în timp ce se află într-una din aceste stări staționare.
  3. Un electron poate câștiga sau pierde energie, sărind de la un orbital discret la altul.

Bohr presupunea că momentul unghiular al electronului este cuantificat cu valori posibile:

L = nℏ

unde n = 1, 2, 3,. . . și este constantă Planck divizată la 2π. El a presupus, de asemenea, că forța centripetă care ține electronul pe orbită este asigurată de forța Coulomb și că energia este conservată. Bohr derivă energia fiecărei orbite a atomului de hidrogen care urmează să fie:

En = – (mee4/(2(4πε0)22))(1/n2)

unde me este masa electronului, e este sarcina electronică, ε0 este permeabilitatea vidului și n este numărul cuantic (cunoscut acum ca numărul cuantic principal). Predicțiile lui Bohr au corespuns unor experimente care măsoară seria spectrală de hidrogen la primul ordin, oferind mai multă încredere unei teorii care folosea valori cuantificate.

Pentru n = 1, valoarea

mee4/(2(4πε0)22) = mee4/(8h2ε02) = 1 Ry = 13.605 692 53 (30) eV

se numește unitatea de energie Rydberg. Ea este legată de constanta Rydberg R a fizicii atomice prin 1 Ry ≡ hcR.

Valoarea exactă a constantei Rydberg presupune că nucleul este infinit de masiv față de electron. Pentru hidrogen-1, hidrogen-2 (deuteriu) și hidrogen-3 (tritiu), constanta trebuie să fie puțin modificată pentru a folosi masa redusă a sistemului, mai degrabă decât pur și simplu masa electronului. Cu toate acestea, deoarece nucleul este mult mai greu decât electronul, valorile sunt aproape aceleași. Constanta Rydberg RM pentru un atom de hidrogen (un electron), R este dat de

RM = R/(1 + me/M),

unde M este masa nucleului atomic. Pentru hidrogen-1, cantitatea me/M, este de aproximativ 1/1836 (adică raportul de masă dintre electron și proton). Pentru deuteriu și tritiu, rapoartele sunt de aproximativ 1/3670 și respectiv 1/5497. Aceste cifre, atunci când sunt adăugate la 1 în numitor, reprezintă corecții foarte mici în valoarea lui R și, prin urmare, doar corecții mici la toate nivelurile de energie în izotopii de hidrogen corespunzători.

Încă existau probleme cu modelul lui Bohr:

  1. nu a reușit să prezică alte detalii spectrale, cum ar fi structura fină și structura hiperfină
  2. putea doar anticipa nivelurile de energie cu orice precizie pentru atomii cu un singur electron (atomi de hidrogen)
  3. valorile prezise au fost corecte doar la α2 ≈ 10-5, unde α este constanta structurii fine.

Cele mai multe dintre aceste neajunsuri au fost reparate de modificarea propusă de Arnold Sommerfeld a modelului Bohr. Sommerfeld a introdus două grade suplimentare de libertate permițând unui electron să se deplaseze pe o orbită eliptică, caracterizată prin excentricitatea și declinarea sa în raport cu o axă aleasă. Aceasta introduce două numere cuantice suplimentare, care corespund momentului unghiular orbital și proiecției acestuia pe axa aleasă. Așadar, a fost găsită multiplicitatea corectă a stărilor (cu excepția factorului 2 care a reprezentat spinul de electroni încă necunoscut). Continuând aplicarea teoriei relativității speciale la orbitele eliptice, Sommerfeld a reușit să obțină expresia corectă pentru structura fină a spectrelor de hidrogen (care se întâmplă exact la fel ca în cea mai elaborată teorie Dirac). Cu toate acestea, unele fenomene observate, cum ar fi efectul anormal de Zeeman, rămân inexplicabile. Aceste probleme au fost rezolvate odată cu dezvoltarea completă a mecanicii cuantice și a ecuației Dirac. Se presupune adesea că ecuația Schrödinger este superioară teoriei lui Bohr-Sommerfeld în descrierea atomului de hidrogen. Acest lucru nu este însă cazul, deoarece cele mai multe rezultate ale ambelor abordări coincid sau sunt foarte apropiate (o excepție remarcabilă este problema atomului de hidrogen în câmpurile electrice și magnetice încrucișate, care nu pot fi rezolvate în cadrul teoriei lui Bohr-Sommerfeld – în mod consecvent), iar principalele lor deficiențe rezultă din absența spinului de electroni în ambele teorii. A fost un eșec total al teoriei Bohr-Sommerfeld explicarea sistemelor cu mulți electroni (cum ar fi atomul de heliu sau molecula de hidrogen), demonstrându-și inadecvarea în descrierea fenomenelor cuantice.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.