Το μοντέλο του Bohr

Ο Niel Henrik David Bohr (1913), σπουδαίο όνομα στη φυσική, ήταν ο πρώτος που εξήγησε ποσοτικά τα γενικά χαρακτηριστικά της δομής των ατόμων υδρογόνου και του φάσματος τους. Το 1912, ο Bohr εντάχθηκε στην ομάδα του Ernest Rutherford στο Μάντσεστερ, όπου άρχισε να εργάζεται πάνω στην ατομική θεωρία. Το 1913, καθιέρωσε αυτό το ατομικό μοντέλο όταν εργαζόταν στην Αγγλία.

Ένα από τα πρώτα μοντέλα του ατόμου ήταν το πλανητικό μοντέλο που πρότεινε ο Ράδερφορντ. αν και χρήσιμο, ήταν εν μέρει ανακριβές επειδή δεν ενσωμάτωσε την κβαντική θεωρία και δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί τα άτομα παρήγαγαν διακριτές γραμμές φασμάτων.

Για να συμπεριλάβει την κβαντική θεωρία, ο Niel Bohr πρότεινε το μοντέλο του για τη δομή του ατόμου που ονομάζεται Μοντέλο του Bohr.

Το Ατομικό μοντέλο Bohr τροποποιεί το προηγούμενο μοντέλο Rutherford, επομένως ονομάζεται επίσης Rutherford-Μοντέλο Bohr . Ο Bohr πρότεινε ότι αν κάνουμε ορισμένες υποθέσεις, το παζλ των φασμάτων του υδρογόνου μπορεί να λυθεί. Ο Bohr χρησιμοποίησε την κβαντοποίηση της έννοιας της ενέργειας του Planck στη θεωρία του που ονομάζεται θεωρία του Bohr.

Ο Bohr έκανε τις ακόλουθες υποθέσεις στη θεωρία του:

• (α) Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια, και ως εκ τούτου το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και του θετικού φορτίου είναι συγκεντρωμένο. Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε ορισμένες κυκλικές τροχιές.
• (β)Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται μόνο σε ορισμένες μη ακτινοβολούμενες τροχιές που ονομάζονται σταθερές τροχιές. Ο Bohr διαπίστωσε ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλάβουν εκείνες τις τροχιές όπου η γωνιακή ορμή ενός κινούμενου ηλεκτρονίου είναι αναπόσπαστο πολλαπλάσιο του h/2π όπου το h είναι η σταθερά του Planck.

mvr =nh/2π

• (γ) Το ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο μετατοπίζεται από ένα χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας σε ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο λαμβάνοντας την απαιτούμενη ενέργεια και ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από υψηλότερο επίπεδο ενέργειας σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας χάνοντας ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας και αντίστροφα . Η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνει ή απορροφά ένα ηλεκτρόνιο είναι η διαφορά στις ενέργειες των δύο τροχιών.

hv =E2 – E1 =hc/λ

Τα διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα ή τροχιές ορίζονται με δύο τρόπους όπως  1, 2, 3, 4…  (ή)  K, L, M, N, … κελύφη. Η τροχιά που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα έχει το χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο και τα ηλεκτρόνια σε αυτήν την τροχιά λέγεται ότι βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση,

• Η πρώτη τροχιά (ενεργειακό επίπεδο) ορίζεται ως κέλυφος Κ και μπορεί να χωρέσει έως και 2 ηλεκτρόνια.
• Η δεύτερη τροχιά (ενεργειακό επίπεδο) ορίζεται ως κέλυφος L και μπορεί να χωρέσει έως και 8 ηλεκτρόνια.
• Η τρίτη τροχιά (ενεργειακό επίπεδο) ορίζεται ως ένα κέλυφος M που περιέχει 18 ηλεκτρόνια.
• Ομοίως, η τέταρτη τροχιά (ενεργειακό επίπεδο) ορίζεται ως N Shell και μπορεί να περιέχει το πολύ 32 ηλεκτρόνια.

Αυτές οι τροχιές συνεχίζουν να αυξάνονται παρόμοια.

Κατανομή ηλεκτρονίων σε τροχιές

Σύμφωνα με το ατομικό μοντέλο του Bohr, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορεί να χωρέσει μια τροχιά ή φλοιός μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο: 2n 2 . Σημείωση- «n» είναι ο αριθμός της τροχιάς ή του κελύφους. Για K-shell n=1, για L-shell n=2, για M-shell n=3, και ούτω καθεξής.

Το κέλυφος Κ μπορεί να χωρέσει το πολύ 2 ηλεκτρόνια, το κέλυφος L το μέγιστο 8 ηλεκτρόνια και ούτω καθεξής.

Η ενέργεια των ηλεκτρονίων μέσω Μοντέλο Bohr:

Η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου σε κάποια τροχιά είναι γνωστή ως ενεργειακό επίπεδο ή ενεργειακή κατάσταση του ηλεκτρονίου. Η τροχιά που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα έχει το χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο και τα ηλεκτρόνια σε αυτή την τροχιά λέγεται ότι βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση. Τα ηλεκτρόνια ψηλότερα λέγεται ότι διεγείρονται.

Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια δίνεται ως 

E =q1q2/4πε0r

Σε ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση αποδίδεται αρνητική ενέργεια. Για να μετακινηθεί ένα ηλεκτρόνιο πιο μακριά από τον πυρήνα, πρέπει να πιστωθεί ενέργεια. Ως εκ τούτου, η ενέργεια γίνεται λιγότερο επιβλαβής καθώς το ηλεκτρόνιο απομακρύνεται. Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να μετακινηθεί ένα ηλεκτρόνιο άπειρα από το άτομο είναι η ενέργεια ιονισμού.

Περιορισμοί του μοντέλου του Bohr:

1. Το Μοντέλο Bohr δεν μπορούσε να εξηγήσει το φάσμα των ατόμων που περιέχουν περισσότερα από 1 ηλεκτρόνια ή πολλά ηλεκτρόνια.
2. Η ατομική θεωρία του Bohr απέτυχε να εξηγήσει τη λεπτή δομή των φασματικών γραμμών.
3. Το Ατομικό μοντέλο Bohr ενός ατόμου απέτυχε να εξηγήσει το φαινόμενο Zeeman (η επίδραση του μαγνητικού πεδίου στα φάσματα των ατόμων).
4. Ατομικό μοντέλο Bohr ενός ατόμου απέτυχε επίσης να εξηγήσει το έντονο φαινόμενο (που είναι η επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου στα φάσματα των ατόμων)
5. Το μοντέλο Bohr ενός ατόμου επίσης δεν μπορούσε να εξηγήσει την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg.
6. Η ατομική θεωρία του Bohr δεν έχει εξήγηση για τις ελλειπτικές τροχιές.
7. Αυτή η θεωρία απέτυχε να εξηγήσει την ικανότητα των ατόμων να σχηματίζουν μόρια με χημικούς δεσμούς.

Συμπέρασμα

Αυτό το μοντέλο ταιριάζει με ακρίβεια στα κβαντισμένα επίπεδα ενέργειας του ατόμου του υδρογόνου και καθορίζει μόνο συγκεκριμένες επιτρεπόμενες κυκλικές τροχιές για τα ηλεκτρόνια.

Όταν τα ηλεκτρόνια δεσμεύονται πιο βαθιά, η ενέργειά τους γίνεται πιο επιζήμια από την κατάσταση αναφοράς μηδενικής ενέργειας.

Όταν το ηλεκτρόνιο τοποθετηθεί πιο κοντά στον πυρήνα, απελευθερώνεται ενέργεια από το σύστημα.

Τα επίπεδα ενέργειας που λαμβάνονται από τον Bohr συμφωνούν στενά με τις τιμές που υπολογίζονται από το φάσμα εκπομπής υδρογόνου, αλλά δεν εφαρμόζονται καλά σε άλλα άτομα. Το μοντέλο του Bohr είναι θεμελιωδώς εσφαλμένο. Ωστόσο, είναι ουσιώδες ιστορικά γιατί προέβλεψε την τρέχουσα θεωρία μας για την ατομική δομή.