Μοντέλο Bohr του ατόμου

Το μοντέλο Bohr έχει ένα άτομο που αποτελείται από ένα μικρό, θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιστρέφεται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Εδώ είναι μια πιο προσεκτική ματιά στο μοντέλο Bohr, το οποίο μερικές φορές ονομάζεται το μοντέλο Rutherford-Bohr.

Niels Bohr πρότεινε το μοντέλο Bohr του ατόμου το 1915. Επειδή το μοντέλο Bohr είναι μια τροποποίηση του προγενέστερου μοντέλου Rutherford, κάποιοι αποκαλούν το μοντέλο του Bohr το μοντέλο Rutherford-Bohr. Το σύγχρονο μοντέλο του ατόμου βασίζεται στην κβαντική μηχανική. Το μοντέλο Bohr περιέχει ορισμένα λάθη, αλλά είναι σημαντικό επειδή περιγράφει τα περισσότερα από τα αποδεκτά χαρακτηριστικά της ατομικής θεωρίας χωρίς όλα τα μαθηματικά υψηλού επιπέδου της σύγχρονης έκδοσης. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα μοντέλα, το μοντέλο Bohr εξηγεί τον τύπο Rydberg για τις γραμμές φασματικής εκπομπής του ατομικού υδρογόνου.

Το μοντέλο Bohr είναι ένα πλανητικό μοντέλο στο οποίο τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια τροχίζουν ένα μικρό, θετικά φορτισμένο πυρήνα παρόμοιο με τους πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο (εκτός από το ότι οι τροχιές δεν είναι επίπεδες). Η βαρυτική δύναμη του ηλιακού συστήματος είναι μαθηματικά παρόμοια με τη δύναμη Coulomb (ηλεκτρική) μεταξύ του θετικά φορτισμένου πυρήνα και των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων.

• Τα ηλεκτρόνια στρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε τροχιές που έχουν ένα καθορισμένο μέγεθος και ενέργεια.
• Η ενέργεια της τροχιάς σχετίζεται με το μέγεθος της. Η χαμηλότερη ενέργεια βρίσκεται στη μικρότερη τροχιά.
• Η ακτινοβολία απορροφάται ή εκπέμπεται όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από μια τροχιά σε μια άλλη.

Το απλούστερο παράδειγμα του μοντέλου Bohr είναι για το άτομο υδρογόνου (Z = 1) ή για ένα όμοιο με υδρογόνο ιόν (Z> 1), στο οποίο ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από ένα μικρό θετικά φορτισμένο πυρήνα. Ηλεκτρομαγνητική ενέργεια θα απορροφηθεί ή θα εκπέσει εάν ένα ηλεκτρόνιο μετακινηθεί από μια τροχιά σε μια άλλη. Μόνο ορισμένες τροχιές ηλεκτρονίων επιτρέπονται. Η ακτίνα των πιθανών τροχιών αυξάνεται ως n², όπου n είναι το κύριο κβαντικό αριθμό. Η μετάβαση 3 → 2 παράγει την πρώτη γραμμή του Σειρά Balmer. Για το υδρογόνο (Ζ = 1) αυτό παράγει ένα φωτόνιο που έχει μήκος κύματος 656 nm (κόκκινο φως).

Τα βαρύτερα άτομα περιέχουν περισσότερα πρωτόνια στον πυρήνα από ότι το άτομο υδρογόνου. Απαιτήθηκαν περισσότερα ηλεκτρόνια για να ακυρωθεί το θετικό φορτίο όλων αυτών των πρωτονίων. Ο Bohr πίστευε ότι κάθε τροχιά ηλεκτρονίων θα μπορούσε να κρατήσει μόνο έναν καθορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Μόλις γεμίσει το επίπεδο, θα προστεθούν επιπλέον ηλεκτρόνια στο επόμενο επίπεδο. Έτσι, το μοντέλο Bohr για βαρύτερα άτομα περιγράφει τα ηλεκτρονικά κελύφη. Το μοντέλο εξήγησε μερικές από τις ατομικές ιδιότητες των βαρύτερων ατόμων, που ποτέ δεν είχαν αναπαραχθεί πριν. Για παράδειγμα, το μοντέλο του κελύφους εξήγησε γιατί τα άτομα είχαν μικρότερη κίνηση σε μια περίοδο (σειρά) του περιοδικού πίνακα, παρόλο που είχαν περισσότερα πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Εξήγησε επίσης γιατί τα ευγενή αέρια ήταν αδρανή και γιατί τα άτομα στην αριστερή πλευρά του περιοδικού πίνακα προσελκύουν ηλεκτρόνια, ενώ τα άτομα στην δεξιά πλευρά τα χάνουν. Ωστόσο, το μοντέλο που υποτίθεται ότι τα ηλεκτρόνια στα κοχύλια δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί τα ηλεκτρόνια φαίνονταν να στοιβάζονται με ακανόνιστο τρόπο.

• Παραβιάζει το Αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg γιατί θεωρεί ότι τα ηλεκτρόνια έχουν τόσο γνωστή ακτίνα όσο και τροχιά.
• Το πρότυπο Bohr παρέχει μια εσφαλμένη τιμή για την κατάσταση εδάφους τροχιακή γωνιακή ορμή.
• Κάνει φτωχές προβλέψεις σχετικά με τα φάσματα των μεγαλύτερων ατόμων.
• Δεν προβλέπει τις σχετικές εντάσεις των φασματικών γραμμών.
• Το μοντέλο Bohr δεν εξηγεί τη λεπτή δομή και την υπερφυσική δομή στις φασματικές γραμμές.
• Δεν εξηγεί το αποτέλεσμα Zeeman.

Η πιο σημαντική βελτίωση στο μοντέλο Bohr ήταν το μοντέλο Sommerfeld, το οποίο καλείται μερικές φορές το μοντέλο Bohr-Sommerfeld. Σε αυτό το μοντέλο, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν σε ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα και όχι σε κυκλικές τροχιές. Το μοντέλο του Sommerfeld ήταν καλύτερο να εξηγεί τις ατομικές φασματικές επιδράσεις, όπως το φαινόμενο Stark στη διάσπαση της φασματικής γραμμής. Ωστόσο, το μοντέλο δεν μπορούσε να φιλοξενήσει τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό.

Τελικά, το μοντέλο Bohr και τα μοντέλα που βασίζονται σε αυτό αντικαταστάθηκε το μοντέλο του Wolfgang Pauli με βάση την κβαντομηχανική το 1925. Το μοντέλο αυτό βελτιώθηκε για να παράγει το σύγχρονο μοντέλο, το οποίο εισήγαγε ο Erwin Schrodinger το 1926. Σήμερα, η συμπεριφορά του ατόμου υδρογόνου εξηγείται χρησιμοποιώντας μηχανισμούς κύματος για την περιγραφή των ατομικών τροχιακών.

• Lakhtakia, Akhlesh; Salpeter, Edwin E. (1996). "Μοντέλα και Μοντέλα Υδρογόνου". American Journal of Physics. 65 (9): 933. Bibcode: 1997AmJPh..65..933L. doi:10.1119/1.18691
• Linus Carl Pauling (1970). "Κεφάλαιο 5-1". Γενική Χημεία (3η έκδοση). San Francisco: W.H. Freeman & Co. ISBN 0-486-65622-5.
• Niels Bohr (1913). "Σχετικά με το Σύνταγμα των Ατόμων και των Μορίων, Μέρος Ι" (PDF). Φιλοσοφικό Περιοδικό. 26 (151): 1–24. doi:10.1080/14786441308634955
• Niels Bohr (1914). "Τα φάσματα του ηλίου και του υδρογόνου". Φύση. 92 (2295): 231–232. doi: 10.1038 / 092231d0