Wprowadzenie do chemii

Terminy

• niestabilne Dla elektronu krążącego wokół jądra, zgodnie z mechaniką klasyczną, oznaczałoby to orbitę o malejącym promieniu i zbliżającą się do jądra po trajektorii spiralnej.
• zasada korespondencjiStwierdza, że zachowanie układów opisanych przez teorię mechaniki kwantowej (lub przez starą teorię kwantów) odtwarza fizykę klasyczną w granicy dużej liczby kwantowej.
• emisjaAkt uwalniania lub oddawania, energii w przypadku elektronu.

W fizyce atomowej, model Bohra przedstawia atom jako małe, dodatnio naładowane jądro otoczone przez elektrony. Elektrony te poruszają się po orbitach kołowych wokół jądra – struktura podobna do układu słonecznego, z wyjątkiem sił elektrostatycznych, a nie grawitacji, które zapewniają przyciąganie.

Rozwój modelu Bohra

Model Bohra był udoskonaleniem wcześniejszego modelu sześciennego (1902), modelu budyniu śliwkowego (1904), modelu Saturna (1904) i modelu Rutherforda (1911). Ponieważ model Bohra jest opartą na fizyce kwantowej modyfikacją modelu Rutherforda, wiele źródeł łączy te dwa modele: model Rutherforda-Bohra.

Pomimo, że podważał on wiedzę fizyki klasycznej, sukces modelu polegał na wyjaśnieniu formuły Rydberga dla spektralnych linii emisyjnych wodoru atomowego. Chociaż wzór Rydberga był znany doświadczalnie, nie zyskał on teoretycznego uzasadnienia aż do wprowadzenia modelu Bohra. Model Bohra nie tylko wyjaśnił przyczynę struktury wzoru Rydberga, ale także dostarczył uzasadnienia dla jego empirycznych wyników w kategoriach fundamentalnych stałych fizycznych.

Chociaż rewolucyjny w tamtym czasie, model Bohra jest stosunkowo prymitywnym modelem atomu wodoru w porównaniu do atomu z powłoką walencyjną. Jako wstępna hipoteza, został on wyprowadzony jako przybliżenie pierwszego rzędu do opisu atomu wodoru. Ze względu na jego prostotę i poprawne wyniki dla wybranych układów, model Bohra jest nadal powszechnie nauczany w celu wprowadzenia studentów do mechaniki kwantowej. Pokrewny model, zaproponowany przez Arthura Ericha Haasa w 1910 roku, został odrzucony. Teoria kwantowa z okresu pomiędzy odkryciem kwantu przez Plancka (1900) a pojawieniem się pełnowartościowej mechaniki kwantowej (1925) jest często nazywana starą teorią kwantową.

Wcześniejsze planetarne modele atomu cierpiały z powodu wady: miały elektrony wirujące na orbicie wokół jądra – naładowanej cząstki w polu elektrycznym. Nie uwzględniały one faktu, że elektron będzie spiralnie wpadał do jądra. Z punktu widzenia emisji elektronów, stanowiłoby to kontinuum emitowanych częstotliwości, ponieważ w miarę zbliżania się do jądra, elektron poruszałby się szybciej i emitowałby inne częstotliwości niż te obserwowane doświadczalnie. Te modele planetarne ostatecznie przewidywały, że wszystkie atomy są niestabilne z powodu rozpadu orbitali. Teoria Bohra rozwiązała ten problem i poprawnie wyjaśniła otrzymany doświadczalnie wzór Rydberga dla linii emisyjnych.

Właściwości elektronów w modelu Bohra

W 1913 roku Bohr zasugerował, że elektrony mogą mieć tylko pewne klasyczne ruchy:

1. Elektrony w atomach orbitują wokół jądra.
2. Elektrony mogą jedynie zyskiwać lub tracić energię przeskakując z jednej dozwolonej orbity na inną, absorbując lub emitując promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości (ν) określonej przez różnicę energii poziomów zgodnie z zależnością Plancka.

Model Bohra jest istotny, ponieważ prawa mechaniki klasycznej stosuj± się do ruchu elektronu wokół j±dra tylko wtedy, gdy s± ograniczone przez regułę kwantow±. Chociaż reguła 3 nie jest całkowicie dobrze zdefiniowana dla małych orbit, Bohr mógł wyznaczyć odstępy energetyczne pomiędzy poziomami używając reguły 3 i dojść do dokładnie poprawnej reguły kwantowej – moment pędu L jest ograniczony tak, aby był całkowitą wielokrotnością ustalonej jednostki:

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

gdzie n = 1, 2, 3, … jest nazywane główną liczbą kwantową, a ħ = h/2π. Najniższą wartością n jest 1; daje to najmniejszy możliwy promień orbitalny 0,0529 nm, znany jako promień Bohra. Gdy elektron znajdzie się na tej najniższej orbicie, nie może już zbliżyć się do protonu. Wychodząc z zasady kwantowego momentu pędu, Bohr był w stanie obliczyć energie dozwolonych orbit atomu wodoru oraz innych atomów i jonów podobnych do wodoru.

Zasada Korespondencji

Podobnie jak teoria Einsteina o efekcie fotoelektrycznym, wzór Bohra zakłada, że podczas skoku kwantowego wypromieniowywana jest dyskretna ilość energii. Jednakże, w przeciwieństwie do Einsteina, Bohr trzymał się klasycznej teorii pola elektromagnetycznego Maxwella. Kwantyzacja pola elektromagnetycznego była tłumaczona dyskretnością poziomów energetycznych atomów. Bohr nie wierzył w istnienie fotonów.

Zgodnie z teorią Maxwella, częstotliwość (ν) promieniowania klasycznego jest równa częstotliwości rotacji (νrot) elektronu na jego orbicie, z harmonicznymi przy całkowitych wielokrotnościach tej częstotliwości. Wynik ten uzyskuje się z modelu Bohra dla skoków pomiędzy poziomami energetycznymi En i En-k, gdy k jest znacznie mniejsze od n. Skoki te odtwarzają częstość k-tej harmonicznej orbity n. Dla dostatecznie dużych wartości n (tzw. stanów Rydberga), dwie orbity biorące udział w procesie emisji mają prawie taką samą częstość rotacji, tak że klasyczna częstość orbitalna nie jest niejednoznaczna. Jednak dla małych n (lub dużych k) częstotliwość promieniowania nie ma jednoznacznej interpretacji klasycznej. W ten sposób narodziła się zasada korespondencji, wymagająca, aby teoria kwantowa zgadzała się z teorią klasyczną tylko w granicy dużych liczb kwantowych.

Teoria Bohra-Kramersa-Slatera (teoria BKS) jest nieudaną próbą rozszerzenia modelu Bohra, który narusza zasadę zachowania energii i pędu w skokach kwantowych, przy czym prawa zachowania obowiązują tylko średnio.

.