Bevezetés a kémiába

Tanulási cél

  • Magyarázza, hogy a Bohr-féle atommodell hogyan jelentett előrelépést a korábbi modellekhez képest, de még mindig voltak korlátai a Maxwell-elmélet felhasználása miatt

Főbb pontok

    • A modell sikere abban rejlett, hogy megmagyarázta a Rydberg-képletet az atomi hidrogén spektrális emissziós vonalaira.
    • A modell szerint az atomokban az elektronok körpályán mozognak a központi atommag körül, és csak bizonyos rögzített körpályákon tudnak stabilan keringeni, az atommagtól meghatározott távolságok diszkrét halmazában. Ezekhez a pályákhoz meghatározott energiák tartoznak, és ezeket energiahéjaknak vagy energiaszinteknek is nevezik.
    • Egy elektron gyorsulása ezeken a stabil pályákon nem eredményez sugárzást és energiaveszteséget, ahogy azt a klasszikus elektromágneses elmélet megköveteli.

Fogalmak

  • instabilA klasszikus mechanika szerint az atommag körül keringő elektron számára ez egy csökkenő sugarú, az atommagot spirális pályán megközelítő pályát jelentene.
  • korrespondenciaelvKijelenti, hogy a kvantummechanika elmélete (vagy a régi kvantumelmélet) által leírt rendszerek viselkedése nagy kvantumszám határán reprodukálja a klasszikus fizikát.
  • emisszióAz elektron esetében az energia felszabadítása vagy leadása.

A Bohr-modell az atomfizikában az atomot egy kis, pozitív töltésű atommagként ábrázolja, amelyet elektronok vesznek körül. Ezek az elektronok körkörös pályákon mozognak az atommag körül – hasonlóan a Naprendszer szerkezetéhez, azzal a különbséggel, hogy a gravitáció helyett az elektrosztatikus erők biztosítják a vonzást.

A Bohr-atomA hidrogénatom Rutherford-Bohr-modellje. Ebben a felfogásban az elektronok pályája az atommag körül hasonlít a Naprendszerben a bolygókéhoz a Nap körül.

A Bohr-modell fejlődése

A Bohr-modell a korábbi kubikus modell (1902), a szilvapudingos modell (1904), a szaturnuszi modell (1904) és a Rutherford-modell (1911) továbbfejlesztése volt. Mivel a Bohr-modell a Rutherford-modell kvantumfizikai alapú módosítása, sok forrás a kettőt egyesíti: Rutherford-Bohr-modell.

A modell sikere – bár megkérdőjelezte a klasszikus fizika ismereteit – az atomi hidrogén spektrális emissziós vonalaira vonatkozó Rydberg-képlet magyarázatában rejlett. Bár a Rydberg-képletet kísérletileg már ismerték, elméleti alátámasztást csak a Bohr-modell bevezetésével nyert. A Bohr-modell nemcsak a Rydberg-képlet szerkezetének okát magyarázta meg, hanem az alapvető fizikai állandókkal kapcsolatos empirikus eredményeit is igazolta.

A Bohr-modell, bár akkoriban forradalmi volt, a valenciahéjas atomhoz képest viszonylag kezdetleges modellje a hidrogénatomnak. Mint kezdeti hipotézist, első rendű közelítésként vezették le a hidrogénatom leírására. Egyszerűsége és a kiválasztott rendszerekre vonatkozó helyes eredményei miatt a Bohr-modellt még mindig gyakran tanítják a hallgatók kvantummechanikába való bevezetésekor. Az Arthur Erich Haas által 1910-ben javasolt hasonló modellt elvetették. A Planck kvantum felfedezése (1900) és a teljes körű kvantummechanika megjelenése (1925) közötti időszak kvantumelméletét gyakran nevezik régi kvantumelméletnek.

A korai bohri atommodellek egy hibától szenvedtek: az elektronok egy atommag körül keringtek pályán – egy töltött részecske elektromos térben. Nem számoltak azzal a ténnyel, hogy az elektron spirálisan belesodródik az atommagba. Az elektronsugárzás szempontjából ez a kibocsátott frekvenciák kontinuumát jelentené, mivel ahogy az elektron közelebb kerül az atommaghoz, úgy mozog gyorsabban, és a kísérletileg megfigyeltektől eltérő frekvenciát bocsát ki. Ezek a bolygómodellek végül minden atomot instabilnak jósoltak a pályabomlás miatt. A Bohr-elmélet megoldotta ezt a problémát, és helyesen magyarázta a kísérleti úton kapott Rydberg-képletet az emissziós vonalakra.

Elektronok tulajdonságai a Bohr-modell szerint

1913-ban Bohr felvetette, hogy az elektronoknak csak bizonyos klasszikus mozgások lehetnek:

  1. Az atomokban az elektronok az atommag körül keringenek.
  2. Az elektronok csak bizonyos (Bohr által “álló pályáknak” nevezett) pályákon, az atommagtól való bizonyos diszkrét távolságok meghatározott halmazában keringhetnek stabilan, sugárzás nélkül. Ezekhez a pályákhoz meghatározott energiák tartoznak, és ezeket energiahéjaknak vagy energiaszinteknek is nevezik. Ezeken a pályákon az elektron gyorsulása nem eredményez sugárzást és energiaveszteséget, ahogy azt a klasszikus elektromágneses elmélet megköveteli.
  3. Az elektronok csak úgy nyerhetnek vagy veszíthetnek energiát, hogy egyik megengedett pályáról a másikra ugrálnak, elektromágneses sugárzást nyelnek el vagy bocsátanak ki olyan frekvenciával (ν), amelyet a Planck-reláció szerint a szintek energiakülönbsége határoz meg.
Az elektronok viselkedése: Part 3, The Bohr Model of the Atom – YouTubeA fény természetéről szerzett új ismereteinket kombináljuk Bohr atomelméletével.

Bohr modellje azért jelentős, mert a klasszikus mechanika törvényei az elektron atommag körüli mozgására csak akkor érvényesek, ha egy kvantumszabály korlátozza. Bár a 3. szabály nem teljesen jól definiált a kis pályák esetében, Bohr a 3. szabály segítségével meg tudta határozni a szintek közötti energiatávolságot, és egy pontosan helyes kvantumszabályra jutott – az L szögnyomatékot úgy korlátozták, hogy az egy rögzített egység egész számú többszöröse legyen:

L=n\frac { h }{ 2\pi } =n\hbar

ahol n = 1, 2, 3, … az úgynevezett fő kvantumszám és ħ = h/2π. Az n legkisebb értéke 1; ez adja a legkisebb lehetséges 0,0529 nm-es orbitális sugarat, amelyet Bohr-sugárnak nevezünk. Ha egy elektron egyszer ezen a legalacsonyabb pályán van, nem tud közelebb kerülni a protonhoz. A szögimpulzus kvantumszabályából kiindulva Bohr ki tudta számítani a hidrogénatom és más hidrogénszerű atomok és ionok megengedett pályáinak energiáit.

A megfelelési elv

A Bohr-képlet Einstein fotoelektromos effektusra vonatkozó elméletéhez hasonlóan azt feltételezi, hogy egy kvantumugrás során diszkrét mennyiségű energia sugárzik ki. Einsteinnel ellentétben azonban Bohr ragaszkodott az elektromágneses tér klasszikus Maxwell-elméletéhez. Az elektromágneses mező kvantálódását az atomi energiaszintek diszkréciójával magyarázta. Bohr nem hitt a fotonok létezésében.

A Maxwell-elmélet szerint a klasszikus sugárzás frekvenciája (ν) megegyezik az elektron forgási frekvenciájával (νrot) a pályáján, ennek a frekvenciának egész számú többszörösére eső harmonikusokkal. Ezt az eredményt a Bohr-modellből kapjuk az En és En-k energiaszintek közötti ugrásokra, ha k sokkal kisebb, mint n. Ezek az ugrások az n pálya k-edik harmonikusának frekvenciáját reprodukálják. n kellően nagy értékei esetén (ún. Rydberg-állapotok) a sugárzási folyamatban részt vevő két pálya közel azonos forgási frekvenciával rendelkezik, így a klasszikus pálya frekvenciája nem kétértelmű. Kis n (vagy nagy k) esetén azonban a sugárzási frekvenciának nincs egyértelmű klasszikus értelmezése. Ezzel megszületett a megfelelési elv, amely megköveteli, hogy a kvantumelmélet csak nagy kvantumszámok határán egyezzen meg a klasszikus elmélettel.

A Bohr-Kramers-Slater elmélet (BKS-elmélet) egy sikertelen kísérlet a Bohr-modell kiterjesztésére, amely kvantumugrásokban sérti az energia és az impulzus megőrzését, a megőrzési törvények csak átlagosan érvényesek.

Források megjelenítése

Boundless ellenőrzi és kurátorként kezeli a kiváló minőségű, nyíltan licencelt tartalmakat az egész internetről. Ez a konkrét forrás a következő forrásokat használta:

“Boundless.”

http://www.boundless.com/
Boundless Learning
CC BY-SA 3.0.

“instabil.”

http://en.wiktionary.org/wiki/unstable
Wiktionary
CC BY-SA 3.0.

“spirál.”

http://en.wiktionary.org/wiki/spiral
Wiktionary
CC BY-SA 3.0.

“emisszió.”

http://en.wiktionary.org/wiki/emission
Wiktionary
CC BY-SA 3.0.

“Bohr modell.”

https://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model
Wikipédia
CC BY-SA 3.0.

“Hidrogén spektrumsorozat.”

https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_spectral_series
Wikipédia
CC BY-SA.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.