Η θεωρία του Bohr για τα άτομα που μοιάζουν με υδρογόνο

Το πλανητικό μοντέλο του ατόμου του Rutherford υιοθετήθηκε αμέσως από τον Niels Bohr (1885–1962), έναν εξέχοντα Δανό φυσικό. Ο Bohr ένιωσε πεπεισμένος για την αληθή του και πέρασε ένα χρόνο στο εργαστήριο του Rutherford το 1912. Άρχισε να δημοσιεύει την ιδέα του για το απλούστερο άτομο, το υδρογόνο, με βάση το πλανητικό μοντέλο του ατόμου το 1913, αφού επέστρεψε στην Κοπεγχάγη. Πολλές ερωτήσεις σχετικά με τις ατομικές ιδιότητες έχουν τεθεί εδώ και δεκαετίες. Πολλά ήταν γνωστά για τα άτομα, από τα μεγέθη τους έως τα φάσματα τους, αλλά λίγα είχαν εξηγηθεί από την άποψη των φυσικών κανόνων. Το μοντέλο του Bohr για το άτομο του υδρογόνου διευκρίνισε το ατομικό φάσμα του υδρογόνου και δημιούργησε νέες, ευρέως εφαρμόσιμες αρχές κβαντικής μηχανικής.

Λύση του Bohr για το υδρογόνο

Χρησιμοποιώντας τη θεμελιώδη φυσική, το πλανητικό μοντέλο του ατόμου και μερικές πολύ σημαντικές νέες προτάσεις, ο Bohr καθιέρωσε τον τύπο για το φάσμα του υδρογόνου. Η πρώτη του πρόταση είναι ότι επιτρέπονται μόνο ορισμένες τροχιές:αναφερόμαστε στις τροχιές ηλεκτρονίων στα άτομα ως κβαντισμένες. Κάθε τροχιά έχει ξεχωριστή ενέργεια και τα ηλεκτρόνια μπορούν να απορροφήσουν ενέργεια για να ταξιδέψουν σε μια υψηλότερη τροχιά ή να εκπέμπουν ενέργεια για να πέσουν σε μια χαμηλότερη τροχιά. Η ενέργεια που απορροφάται ή απελευθερώνεται κβαντίζεται όταν οι τροχιές βρίσκονται σε τροχιά, με αποτέλεσμα διακριτά φάσματα.

Οι κύριοι μηχανισμοί κίνησης ενέργειας μέσα και έξω από τα άτομα είναι η απορρόφηση και η εκπομπή φωτονίων. Οι ενέργειες των φωτονίων κβαντίζονται και η ενέργειά τους υπολογίζεται ως η μεταβολή της ενέργειας του ηλεκτρονίου καθώς πηγαίνει από τη μια τροχιά στην άλλη. Γράφεται ως ΔE =hf =Ei – Ef σε μορφή εξίσωσης.

Πέντε ομόκεντροι δακτύλιοι απεικονίζουν τις τροχιές του πλανητικού μοντέλου ενός ατόμου της αρχής της αντιστοιχίας του Bohr. Από τους πιο εσωτερικούς έως τους πιο εξωτερικούς κύκλους, οι ακτίνες των κύκλων μεγαλώνουν. Οι ετικέτες E δευτερόλεπτο, E δευτερόλεπτο και έως και E δευτερόλεπτο, οι ετικέτες I επισημαίνονται στους κύκλους.

Οι τροχιές των ηλεκτρονίων κβαντίζονται στο τροποποιημένο πλανητικό μοντέλο του ατόμου του Bohr. Μόνο ένας περιορισμένος αριθμός τροχιών επιτρέπεται, εξηγώντας γιατί τα ατομικά φάσματα είναι διακριτά (κβαντισμένα). Η ενέργεια που αφαιρείται από ένα άτομο από ένα φωτόνιο κβαντίζεται και προέρχεται από ένα ηλεκτρόνιο που πέφτει από μια επιτρεπόμενη τροχιά. Ισχύει επίσης για την απορρόφηση φωτονίων σε ατομικό επίπεδο.

Η διαφορά ενέργειας μεταξύ της αρχικής και της τελικής τροχιάς είναι ΔE και η ενέργεια του απορροφούμενου ή εκπεμπόμενου φωτονίου είναι hf. Η ενέργεια εμπλέκεται στη μετατόπιση τροχιών, η οποία είναι λογική (προβλεφθεί από την καθημερινή μας εμπειρία). Για να αναρριχηθεί σε μια υψηλότερη τροχιά, το διαστημικό λεωφορείο, για παράδειγμα, απαιτεί μια έκρηξη ενέργειας. Ο κβαντισμός των ατομικών τροχιών, από την άλλη, δεν αναμένεται. Από την άλλη πλευρά, οι δορυφόροι και οι πλανήτες μπορούν να έχουν τροχιά εάν έχουν αρκετή ενέργεια.

Ιδιότητες των ηλεκτρονίων στο μοντέλο Bohr

Ο Bohr πρότεινε το 1913 ότι τα ηλεκτρόνια μπορούσαν να κινηθούν μόνο με συγκεκριμένους κλασικούς τρόπους:

• Τα ατομικά ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα.
• Μόνο συγκεκριμένες τροχιές (που ονομάζονται "στάσιμες τροχιές" από τον Bohr) σε ένα σταθερό εύρος αποστάσεων από τον πυρήνα επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να περιφέρονται σταθερά χωρίς ακτινοβολία. Αυτές οι τροχιές, γνωστές και ως ενεργειακά κελύφη ή ενεργειακά επίπεδα, συνδέονται με συγκεκριμένες ενέργειες. Η επιτάχυνση ενός ηλεκτρονίου σε αυτές τις τροχιές δεν προκαλεί ακτινοβολία ή απώλεια ενέργειας, όπως απαιτείται από την κλασική ηλεκτρομαγνητική θεωρία.
• Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κερδίσουν ή να χάσουν ενέργεια μόνο πηδώντας από μια εξουσιοδοτημένη τροχιά σε άλλη, απορροφώντας ή μεταδίδοντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε συχνότητα (v) που ορίζεται από τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των επιπέδων, σύμφωνα με τη σχέση Planck.

Θρίαμβοι και όρια της θεωρίας του Μπορ

Κανείς δεν μπόρεσε ποτέ να πετύχει αυτό που είχε ο Μπορ. Όχι μόνο εξήγησε το φάσμα του υδρογόνου, αλλά υπολόγισε επίσης σωστά το μέγεθος του ατόμου χρησιμοποιώντας απλή φυσική. Μερικές από τις έννοιές του μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα ευρύ φάσμα καταστάσεων. Όλα τα άτομα και τα μόρια έχουν κβαντισμένες τροχιακές ενέργειες ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια δεν ρέουν στον πυρήνα όπως αναμένεται από τη συμβατική σοφία. Αυτά είναι σημαντικά επιτεύγματα.

Ωστόσο, το μοντέλο του Bohr του ατόμου υδρογόνου έχει περιορισμούς. Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άτομα πολλών ηλεκτρονίων, ακόμα κι αν είναι τόσο απλά όσο τα άτομα ηλίου με δύο ηλεκτρόνια. Το μοντέλο που προτείνει ο Bohr ταξινομείται ως ημικλασικό. Οι τροχιές είναι κβαντισμένες (μη κλασσικές), αν και θεωρούνται βασικές κυκλικές τροχιές (κλασικές). Έγινε προφανές καθώς προχωρούσε η κβαντομηχανική ότι δεν υπάρχουν καλά καθορισμένες τροχιές αλλά μάλλον σύννεφα πιθανοτήτων. Σύμφωνα με τη θεωρία της υπόθεσης του Bohr, όταν παρατηρούνται προσεκτικά, ορισμένες φασματικές γραμμές είναι διπλές (χωρισμένες σε δύο). Ο Bohr έκανε σημαντικά βήματα προς τα εμπρός για να επιδιώξει τη γνώση, θέτοντας τις βάσεις για όλες τις επόμενες ατομικές φυσικές.

Συμπέρασμα

Ένα άτομο που μοιάζει με υδρογόνο αποτελείται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα και ένα ηλεκτρόνιο σε μια σταθερή κυκλική τροχιά γύρω από τον πυρήνα. Ενσωματώνοντας ιδέες από την πρόσφατα αναπτυσσόμενη Κβαντική θεωρία, το μοντέλο της θεωρίας του Bohr για το άτομο του υδρογόνου στοχεύει να καλύψει μερικά από τα κενά που εντοπίστηκαν από το μοντέλο του Rutherford. Ο Bohr πρότεινε ότι τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο μπορεί να περιφέρονται σε σταθερές τροχιές χωρίς να παράγουν ενέργεια ακτινοβολίας.