АТОМНА МОДЕЛЬ БОРА: ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПОСТУЛАТИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Модель атома Бора є поданням атома , запропонованого датського фізика Нільса Бора (1885-1962). Модель встановлює, що електрон рухається по орбітах на фіксованій відстані навколо атомного ядра, описуючи рівномірний круговий рух. Орбіти - або рівні енергії, як він їх називав - мають різну енергію.

Кожен раз, коли електрон змінює свою орбіту, він випромінює або поглинає енергію у фіксованих кількостях, званих "квантами". Бор пояснив спектр світла, що випромінюється (або поглинається) атомом водню. Коли електрон рухається з однієї орбіти на іншу до ядра, відбувається втрата енергії і випромінюється світло з характерною довжиною хвилі та енергією.

Джерело: wikimedia.org. Автор: Шарон Бевік, Адріньола. Ілюстрація атомної моделі Бора. Протон, орбіта і електрон.

Бор пронумерував енергетичні рівні електрона, вважаючи, що чим ближче електрон до ядра, тим нижчий його енергетичний стан. Таким чином, чим далі електрон буде від ядра, тим більше буде рівень енергії, а отже, енергетичний стан буде більшим.

Основні риси

Особливості моделі Бора важливі, оскільки вони визначили шлях до розвитку більш повної атомної моделі. Основні з них:

Його підтримують інші моделі та теорії того часу

Модель Бора першою включила квантову теорію, засновану на атомній моделі Резерфорда та на ідеях, взятих за фотоелектричний ефект Альберта Ейнштейна. Насправді Ейнштейн і Бор були друзями.

Експериментальні докази

Відповідно до цієї моделі атоми поглинають або випромінюють випромінювання лише тоді, коли електрони стрибають між дозволеними орбітами. Німецькі фізики Джеймс Франк та Густав Герц отримали експериментальні докази цих станів у 1914 році.

Електрони існують в енергетичних рівнях

Електрони оточують ядро ​​і існують при певних енергетичних рівнях, які дискретні і описані в квантових числах.

Значення енергії цих рівнів існує як функція від числа n, що називається головним квантовим числом, яке може бути обчислене рівняннями, які будуть детально описані пізніше.

Без енергії немає руху електрона

Джерело: wikimedia.org. Автор: Курзон

На верхній ілюстрації показано, що електрон робить квантові стрибки.

Відповідно до цієї моделі, без енергії не відбувається переміщення електрона з одного рівня на інший, так само як без енергії неможливо підняти впалий предмет або відокремити два магніти.

Бор запропонував квант як енергію, необхідну електрону для переходу з одного рівня на інший. Він також встановив, що найнижчий рівень енергії, який займає електрон, називається "основним станом". "Збуджений стан" - це більш нестабільний стан, результат проходження електрона до орбіти вищої енергії.

Кількість електронів у кожній оболонці

Електрони, що вміщуються в кожній оболонці, обчислюються з 2n ²

Хімічні елементи, що входять до періодичної таблиці і знаходяться в одному стовпчику, мають однакові електрони в останній оболонці. Кількість елекронів у перших чотирьох шарах склало б 2, 8, 18 та 32.

Електрони обертаються по кругових орбітах, не випромінюючи енергію

Згідно з першим постулатом Бора, електрони описують кругові орбіти навколо ядра атома, не випромінюючи енергію.

Дозволені орбіти

Відповідно до другого постулата Бора, єдиними орбітами, дозволеними для електрона, є ті, для яких кутовий імпульс L електрона є цілим числом, кратним постійній Планка. Математично це виражається так:

Енергія, що виділяється або поглинається в стрибках

Згідно з Третім Постулатом, електрони випромінювали або поглинали енергію при стрибках з однієї орбіти на іншу. При стрибку орбіти випромінюється або поглинається фотон, енергія якого представлена ​​математично:

Атомна модель Бора постулює

Бор продовжив планетарну модель атома, згідно з якою електрони оберталися навколо позитивно зарядженого ядра, подібно до планет навколо Сонця.

Однак ця модель кидає виклик одному з постулатів класичної фізики. Відповідно до цього, частинка з електричним зарядом (наприклад, електрон), що рухається круговим шляхом, повинна постійно втрачати енергію, випромінюючи електромагнітне випромінювання. Втрачаючи енергію, електрон повинен був би пройти по спіралі, поки не впав у ядро.

Тоді Бор припускав, що закони класичної фізики не є найбільш придатними для опису спостережуваної стійкості атомів і висунув наступні три постулати:

Перший постулат

Електрон обходить навколо ядра по орбітах, які малюють кола, не випромінюючи енергію. На цих орбітах імпульс кута орбіти постійний.

Для електронів атома допускаються лише орбіти певних радіусів, що відповідають певним визначеним рівням енергії.

Другий постулат

Не всі орбіти можливі. Але як тільки електрон перебуває на дозволеній орбіті, він перебуває у стані питомої та постійної енергії і не випромінює енергію (нерухома орбіта енергії).

Наприклад, в атомі водню енергії, дозволені для електрона, задаються наступним рівнянням:

У цьому рівнянні значення -2,18 × 10 ^-18 постійна Рідберга для атома водню, і п = квантове число може приймати значення від 1 до ∞.

Енергії електронів атома водню, що утворюються з попереднього рівняння, негативні для кожного зі значень n. Зі збільшенням n енергія стає менш негативною і, отже, збільшується.

Коли n досить великий - наприклад, n = ∞ - енергія дорівнює нулю і означає, що електрон вивільнився і атом іонізувався. Цей нульовий енергетичний стан має вищу енергію, ніж стан негативної енергії.

Третій постулат

Електрон може змінюватися від однієї нерухомої орбіти енергії до іншої за рахунок викиду або поглинання енергії.

Енергія, що випромінюється або поглинається, буде дорівнює різниці енергій між двома станами. Ця енергія E у вигляді фотона і задається наступним рівнянням:

E = h ν

У цьому рівнянні E - енергія (поглинена або випромінювана), h - постійна Планка (її значення 6,63 х 10 ^-34 джоуль-секунди) і ν - частота світла, одиниця якої 1 / с .

Діаграма рівня енергії для атомів водню

Модель Бора змогла задовільно пояснити спектр атома водню. Наприклад, у діапазоні довжин хвиль видимого світла спектр випромінювання атома водню такий:

Подивимось, як можна обчислити частоту деяких спостережуваних світлових смуг; наприклад, червоний колір.

Використовуючи перше рівняння і підставляючи 2 і 3 для n, отримуються результати, показані на схемі.

Тобто:

Для n = 2, E ₂ = -5,45 х 10 ^-19 Дж

Для n = 3, E ₃ = -2,42 x 10 ^-19 Дж

Тоді можна обчислити різницю енергії для двох рівнів:

ΔE = E ₃ - E ₂ = (-2,42 - (- 5,45)) x 10 ^{- 19} = 3,43 x 10 ^{- 19} Дж

Відповідно до рівняння, поясненого в третьому постулаті ΔE = h ν. Отже, ви можете обчислити ν (частоту світла):

ν = ΔE / год

Тобто:

ν = 3,43 х 10 ^–19 Дж / 6,63 х 10 ^-34 Дж

ν = 4,56 x 10 ¹⁴ s ^-1 або 4,56 x 10 ¹⁴ Гц

Будучи λ = c / ν, а швидкість світла c = 3 x 10 ⁸ м / с, довжина хвилі задається:

λ = 6.565 x 10 ^{- 7} м (656.5 нм)

Це значення довжини хвилі спостережуваної червоної смуги у спектрі водневої лінії.

3 основні обмеження моделі Бора

1- Він адаптується до спектра атома водню, але не до спектрів інших атомів.

2- Хвильові властивості електрона не представлені в його описі як невеликої частинки, яка обертається навколо атомного ядра.

3- Бор не може пояснити, чому класичний електромагнетизм не стосується його моделі. Тобто, чому електрони не випромінюють електромагнітного випромінювання, коли вони знаходяться на нерухомій орбіті.

Статті, що цікавлять

Атомна модель Шредінгера.

Атомна модель Де Бройля.

Атомна модель Чадвіка.

Атомна модель Гейзенберга.

Атомна модель Перріна.

Атомна модель Томсона.

Атомна модель Далтона.

Атомна модель Дірака Йордана.

Атомна модель Демокріта.

Атомна модель Соммерфельда.

Список літератури

1. Браун, TL (2008). Хімія: центральна наука. Річка Верхнього Сідла, штат Нью-Джерсі: Зал Прітсон-Прентіс
2. Eisberg, R., & Resnick, R. (2009). Квантова фізика атомів, молекул, твердих тіл, ядер та частинок. Нью-Йорк: Вілі
3. Атомна модель Бор-Соммерфельда. Відновлено з: fisquiweb.es
4. Joesten, M. (1991). Світ хімії. Філадельфія, штат Пенсільджі: Saunders College Publishing, стор.76-78.
5. Модель Bohr de l'atome d'hydrogène. Відновлено з fr.khanacademy.org
6. Izlar, K. Rétrospective sur l'atome: le modèle de Bohr a cent ans. Відновлено: home.cern