Modelul Bohr al atomului

(Modelul Bohr al atomului de hidrogen (Z = 1) sau un ion de tipul hidrogenului (Z > 1), unde electronul încărcat negativ, închis într-un înveliș atomic, înconjoară un nucleu mic, încărcat pozitiv, și unde un electron sare între orbite fiind însoțit de o cantitate de energie electromagnetică (hν) emisă sau absorbită.Orbitele în care electronul poate ajunge sunt arătate ca cercuri gri, raza lor crescând ca n², unde n este numărul cuantic principal. Tranziția 3 → 2 descrisă aici produce prima linie a seriei Balmer, iar pentru hidrogen (Z = 1) rezultă un foton cu lungimea de undă de 656 nm (lumină roșie).)

În fizica atomică, modelul Rutherford-Bohr sau modelul Bohr, sau diagrama lui Bohr, introdus de Niels Bohr și Ernest Rutherford în 1913, descrie atomul ca un nucleu mic, încărcat pozitiv, înconjurat de electroni care circulă în orbite circulare în jurul nucleului – structura sistemului solar, dar cu atracție oferită mai degrabă de forțele electrostatice decât de gravitație. După modelul cubic (1902), modelul Rutherford-Bohr (1904), modelul saturnian (1904) și modelul Rutherford (1911) a apărut modelul Bohr (1913). Îmbunătățirea modelului Rutherford este în mare parte o interpretare fizică cuantică a acestuia. Succesul cheie al modelului constă în explicarea formulei Rydberg pentru liniile de emisie spectrală ale hidrogenului atomic. În timp ce formula Rydberg fusese cunoscută experimental, nu a avut o bază teoretică până la introducerea modelului Bohr. Modelele Bohr nu explică doar motivul pentru structura formulei Rydberg, ci și justificarea rezultatelor sale empirice în termeni de constante fizice fundamentale.

Modelul Bohr este un model relativ primitiv al atomului de hidrogen, în comparație cu atomul învelișutilor de valență. Ca teorie, el poate fi derivat ca o aproximare de ordinul întâi a atomului de hidrogen utilizând mecanica cuantică mai largă și mai exactă și astfel poate fi considerat o teorie științifică depășită. Cu toate acestea, din cauza simplității sale și a rezultatelor sale corecte pentru sistemele selectate, modelul Bohr este încă învățat în mod obișnuit ca introducere în mecanica cuantică sau diagramele de nivel energetic înainte, de a trece la unul mai precis, atomul învelișutilor de valență. Un model asemănător a fost propus inițial de Arthur Erich Haas în 1910, dar a fost respins. Teoria cuantică a perioadei dintre descoperirea de către Planck a cuantei (1900) și apariția unei mecanici cuantice mature (1925) este adesea menționată ca vechea teorie cuantică.

Origine

(Modelul Bohr cu electroni maximi per înveliș cu învelișuri marcate în notația razelor X.)

La începutul secolului XX, experimentele lui Ernest Rutherford au stabilit că atomii constau dintr-un nor difuz de electroni încărcați negativ care înconjoară un nucleu mic, dens, încărcat pozitiv. Având în vedere aceste date experimentale, Rutherford a considerat în mod firesc un atom ca model planetar, modelul Rutherford din 1911 – electroni care orbitează un nucleu solar – cu toate acestea, atomul ca model planetar a avut o dificultate tehnică. Legile mecanicii clasice (adică formula Larmor) prezic că electronul va elibera radiațiile electromagnetice în timp orbitează nucleul. Deoarece electronul ar pierde energie, ar fi atras în spirală rapid spre interior, prăbușindu-se în nucleu într-un interval de timp de 16 picosecunde. Acest model de atom este dezastruos, deoarece prezice că toți atomii sunt instabili.

De asemenea, pe măsură ce electronii cad în spirală în interior, emisia ar crește rapid în frecvență, pe măsură ce orbita ar deveni mai mică și mai rapidă. Aceasta ar produce o difuzie continuă, în frecvență, a radiației electromagnetice. Cu toate acestea, experimentele din secolul al XIX-lea cu descărcări electrice au arătat că atomii vor emite lumină (adică radiații electromagnetice) numai la anumite frecvențe discrete.

Pentru a depăși această dificultate, Niels Bohr a propus, în 1913, ceea ce se numește acum modelul lui Bohr al atomului. El a sugerat că electronii puteau avea doar anumite mișcări clasice:

1. Electronii din atomii orbitează nucleul.
2. Electronii pot orbita numai în mod stabil, fără a radia, pe anumite orbite (numite de Bohr „orbite staționare”) la un anumit set discret de distanțe față de nucleu. Aceste orbite sunt asociate cu energii definite și sunt denumite, de asemenea, învelișuri de energie sau niveluri de energie. În aceste orbite, accelerația electronului nu are ca rezultat radiații și pierderi de energie, așa cum este cerut de electromagneții clasici. Modelul lui Bohr al unui atom se bazează pe teoria cuantică a radiației Planck.
3. Electronii pot câștiga și pierde energie doar sărind de la o orbită permisă la alta, absorbind sau emițând radiații electromagnetice cu o frecvență ν determinată de diferența energetică a nivelelor în relația Planck:

ΔE = E₂ – E₁ = hν,

unde h este constanta lui Planck. Frecvența radiației emise pe orbita perioadei T este la fel ca în mecanica clasică; este reciproca perioadei clasice a orbitei:

ν = 1/T.

mv²/2 = nh/2π = nℏ

unde n = 1, 2, 3, … se numește numărul cuantic principal si ħ = h/2π. Valoarea cea mai mică a lui n este 1; aceasta oferă cea mai mică rază orbitală posibilă, de 0,0529 nm, cunoscută sub numele de raza Bohr. Odată ce un electron se află în cea mai mică orbită, nu se poate apropia de proton. Pornind de la regula cuantică a momentului unghiular, Bohr a reușit să calculeze energiile orbitelor permise ale atomului de hidrogen și ale altor atomi și ioni asemănători hidrogenului.

Alte puncte sunt:

1. Ca și în teoria lui Einstein a efectului fotoelectric, formula lui Bohr presupune că în timpul unui salt cuantic se emite o cantitate discretă de energie. Cu toate acestea, spre deosebire de Einstein, Bohr a rămas la teoria clasică Maxwell a câmpului electromagnetic. Cuantificarea câmpului electromagnetic a fost explicată prin discrepanța nivelurilor energiei atomice; Bohr nu a crezut în existența fotonilor.
2. Conform teoriei lui Maxwell, frecvența ν a radiației clasice este egală cu frecvența de rotație ν_rot a electronului în orbita sa, cu armonici la multiplii întregi ai acestei frecvențe. Acest rezultat este obținut din modelul Bohr pentru salturi între nivelele energetice E_n și E_n-k atunci când k este mult mai mic decât n. Aceste salturi reproduc frecvența armonicei k a orbitei n. Pentru valori suficient de mari ale lui n (așa-numitele stări Rydberg), cele două orbite implicate în procesul de emisie au aproape aceeași frecvență de rotație, astfel încât frecvența orbitală clasică nu este ambiguă. Dar pentru n (sau k mare) mic, frecvența radiațiilor nu are o interpretare clasică clară. Aceasta marchează nașterea principiului corespondenței, cerând ca teoria cuantică să fie de acord cu teoria clasică numai în limita numerelor cuantice mari.
3. Teoria Bohr-Kramers-Slater (teoria BKS) este o încercare eșuată de a extinde modelul Bohr, care încalcă conservarea energiei și a impulsului în salturi cuantice, legile de conservare păstrându-se doar în medie.

Condiția lui Bohr, conform căreia momentul unghiular este un multiplu întreg al lui ħ, a fost reinterpretat în 1924 de către de Broglie ca o condiție de undă staționară: electronul este descris de o undă și un număr întreg de lungimi de undă trebuie să se potrivească de-a lungul circumferinței orbitei electronului:

nλ = 2πr.

Bohr a descris un moment unghiular al orbitei de electroni ca 1/2h în timp ce lungimea de undă a lui de Broglie λ = h/p descria h împărțită la impulsul electronului. În 1913, totuși, Bohr și-a justificat regula apelând la principiul corespondenței, fără a oferi niciun fel de interpretare a undelor. În 1913, comportamentul ondulatoriu al particulelor de materie, cum ar fi electronul (adică undele de materie), nu a fost bănuit.

În 1925, a fost propus un nou tip de mecanică, mecanica cuantică, în care modelul de electroni al lui Bohr care se deplasa pe orbite cuantificate a fost extins la un model mai precis al mișcării electronilor. Noua teorie a fost propusă de Werner Heisenberg. O altă formă a aceleiași teorii, mecanica ondulatorie, a fost descoperită independent de fizicianul austriac Erwin Schrödinger prin raționamente diferite. Schrödinger a folosit undele de materie de Broglie, dar a căutat soluții de undă cu o ecuație tridimensională a undelor care descrie electronii care erau constrânși să se deplaseze în jurul nucleului unui atom de tip hidrogen, fiind reținuți de potențialul încărcăturii nucleare pozitive.

Acest text este disponibil sub licența Creative Commons cu atribuire și distribuire în condiții identice

(Include text tradus din din Wikipedia)