Introducere în chimie

Termeni

• instabilPentru un electron care orbitează în jurul nucleului, conform mecanicii clasice, ar însemna o orbită cu raza din ce în ce mai mică și care se apropie de nucleu pe o traiectorie în spirală.
• principiul de corespondențăSpune că comportamentul sistemelor descrise de teoria mecanicii cuantice (sau de vechea teorie cuantică) reproduce fizica clasică în limita unui număr cuantic mare.
• emisiuneActul de a elibera sau de a ceda, energie în cazul electronului.

În fizica atomică, modelul Bohr descrie un atom ca fiind un nucleu mic, încărcat pozitiv, înconjurat de electroni. Acești electroni se deplasează pe orbite circulare în jurul nucleului – structură similară cu cea a sistemului solar, cu excepția faptului că forțele electrostatice, mai degrabă decât gravitația, asigură atracția.

Dezvoltarea modelului Bohr

Modelul Bohr a fost o îmbunătățire a modelului cubic anterior (1902), a modelului plum-pudding (1904), a modelului saturnian (1904) și a modelului Rutherford (1911). Deoarece modelul Bohr este o modificare bazată pe fizica cuantică a modelului Rutherford, multe surse le combină pe cele două: modelul Rutherford-Bohr.

Deși a contestat cunoștințele fizicii clasice, succesul modelului a constat în explicarea formulei lui Rydberg pentru liniile de emisie spectrală ale hidrogenului atomic. Deși formula Rydberg fusese cunoscută pe cale experimentală, aceasta nu a căpătat o susținere teoretică până la introducerea modelului Bohr. Modelul Bohr nu numai că a explicat motivul pentru structura formulei Rydberg, dar a oferit și o justificare pentru rezultatele sale empirice în termeni de constante fizice fundamentale.

Deși revoluționar la vremea respectivă, modelul Bohr este un model relativ primitiv al atomului de hidrogen în comparație cu atomul cu înveliș de valență. Ca ipoteză inițială, acesta a fost derivat ca o aproximație de ordinul întâi pentru a descrie atomul de hidrogen. Datorită simplității sale și a rezultatelor corecte pentru sisteme selectate, modelul Bohr este încă predat în mod obișnuit pentru a introduce studenții în mecanica cuantică. Un model înrudit, propus de Arthur Erich Haas în 1910, a fost respins. Teoria cuantică din perioada cuprinsă între descoperirea cuanticului de către Planck (1900) și apariția unei mecanici cuantice în toată regula (1925) este adesea denumită vechea teorie cuantică.

Modelurile planetare timpurii ale atomului sufereau de un defect: ele aveau electroni care se roteau pe orbită în jurul unui nucleu – o particulă încărcată într-un câmp electric. Nu se ținea cont de faptul că electronul ar intra în spirală în nucleu. În ceea ce privește emisia de electroni, acest lucru ar reprezenta un continuum de frecvențe emise, deoarece, pe măsură ce electronul se apropia de nucleu, se deplasa mai repede și emitea o frecvență diferită de cele observate experimental. Aceste modele planetare au prezis, în cele din urmă, că toți atomii sunt instabili din cauza dezintegrării orbitale. Teoria lui Bohr a rezolvat această problemă și a explicat corect formula Rydberg obținută experimental pentru liniile de emisie.

Proprietățile electronilor conform modelului Bohr

În 1913, Bohr a sugerat că electronii pot avea doar anumite mișcări clasice:

1. Electronii din atomi orbitează în jurul nucleului.
2. Electronii pot orbita în mod stabil, fără a radia, doar pe anumite orbite (numite de Bohr „orbite staționare”) la un anumit set discret de distanțe față de nucleu. Aceste orbite sunt asociate cu energii definite și se mai numesc învelișuri de energie sau niveluri de energie. Pe aceste orbite, accelerația unui electron nu determină radiații și pierderi de energie, așa cum cere teoria electromagnetică clasică.
3. Electronii pot câștiga sau pierde energie numai prin saltul de pe o orbită permisă pe alta, absorbind sau emițând radiații electromagnetice cu o frecvență (ν) determinată de diferența de energie a nivelelor, conform relației Planck.

Modelul lui Bohr este semnificativ deoarece legile mecanicii clasice se aplică la mișcarea electronului în jurul nucleului doar atunci când sunt restricționate de o regulă cuantică. Deși regula 3 nu este complet bine definită pentru orbite mici, Bohr a putut determina distanța energetică dintre niveluri folosind regula 3 și a ajuns la o regulă cuantică exact corectă – momentul unghiular L este restricționat pentru a fi un multiplu întreg al unei unități fixe:

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

unde n = 1, 2, 3, … se numește numărul cuantic principal și ħ = h/2π. Cea mai mică valoare a lui n este 1; aceasta dă cea mai mică rază orbitală posibilă de 0,0529 nm, cunoscută sub numele de raza Bohr. Odată ce un electron se află pe această orbită cea mai joasă, el nu se mai poate apropia de proton. Pornind de la regula cuantică a momentului unghiular, Bohr a putut calcula energiile orbitelor permise ale atomului de hidrogen și ale altor atomi și ioni asemănători hidrogenului.

Principiul corespondenței

Ca și teoria lui Einstein privind efectul fotoelectric, formula lui Bohr presupune că în timpul unui salt cuantic este radiată o cantitate discretă de energie. Cu toate acestea, spre deosebire de Einstein, Bohr a rămas la teoria clasică Maxwell a câmpului electromagnetic. Cuantificarea câmpului electromagnetic a fost explicată prin caracterul discret al nivelurilor energetice atomice. Bohr nu credea în existența fotonilor.

Potrivit teoriei Maxwell, frecvența (ν) radiației clasice este egală cu frecvența de rotație (νrot) a electronului pe orbita sa, cu armonici la multipli întregi ai acestei frecvențe. Acest rezultat se obține din modelul Bohr pentru salturile între nivelurile energetice En și En-k atunci când k este mult mai mic decât n. Aceste salturi reproduc frecvența celei de-a k-a armonică a orbitei n. Pentru valori suficient de mari ale lui n (așa-numitele stări Rydberg), cele două orbite implicate în procesul de emisie au aproape aceeași frecvență de rotație, astfel încât frecvența orbitală clasică nu este ambiguă. Dar pentru n mic (sau k mare), frecvența de radiație nu are o interpretare clasică lipsită de ambiguitate. Acest lucru marchează nașterea principiului corespondenței, care cere ca teoria cuantică să fie în acord cu teoria clasică doar în limita numerelor cuantice mari.

Teoria Bohr-Kramers-Slater (teoria BKS) este o încercare eșuată de a extinde modelul Bohr, care încalcă conservarea energiei și a momentului în salturi cuantice, legile de conservare fiind valabile doar în medie.

.