Атомният модел на Бор: Характеристики, постулати, ограничения

Атомният модел на Бор е представяне на атома, предложен от датския физик Нилс Бор (1885-1962). Моделът заявява, че електронът се движи в орбити на фиксирано разстояние около атомното ядро, описвайки еднородно кръгово движение. Орбитите - или енергийните нива, както той ги нарича - са с различна енергия.

Всеки път, когато електронът промени орбитата си, той излъчва или абсорбира енергия във фиксирани величини, наречени "кванти". Бор обясни спектъра на излъчваната (или абсорбираната) светлина от водородния атом. Когато един електрон се движи от една орбита към друга към ядрото, се получава загуба на енергия и светлина, с характерна дължина на вълната и енергия.

Бор номерира енергийните нива на електрона, като се има предвид, че колкото по-близо е електрона към ядрото, толкова по-ниско е енергийното му състояние. По този начин, колкото по-далеч е електрона от ядрото, толкова по-висок ще бъде броят на енергийните нива и следователно енергийното състояние ще бъде по-високо.

Основни характеристики

Характеристиките на модела на Бор са важни, тъй като те определят пътя към разработването на по-пълен атомен модел. Основните са:

Тя се основава на други модели и теории на времето

Моделът на Бор е първият, който включва квантовата теория, подкрепена от атомния модел на Ръдърфорд и идеи, взети от фотоелектричния ефект на Алберт Айнщайн. Всъщност Айнщайн и Бор бяха приятели.

Експериментални доказателства

Според този модел, атомите абсорбират или излъчват радиация само когато електроните скачат между разрешените орбити. Немски физици Джеймс Франк и Густав Херц са получили експериментални доказателства за тези състояния през 1914 година.

Електроните съществуват в енергийни нива

Електроните заобикалят ядрото и съществуват при определени енергийни нива, които са дискретни и са описани в квантовите числа.

Енергийната стойност на тези нива съществува като функция от число n, наречено главно квантово число, което може да се изчисли с уравнения, които ще бъдат подробно описани по-късно.

Без енергия няма движение на електрона

Горната илюстрация показва електрон, който прави квантови скокове.

Според този модел, без енергия няма движение на електрона от едно ниво на друго, точно както без енергия не е възможно да се повдигне предмет, който е паднал, или да се отделят два магнита.

Бор предложи квантовата енергия, необходима на електрона да премине от едно ниво на друго. Той също така заяви, че най-ниското енергийно ниво, заето от електрона, се нарича "основно състояние". "Възбуденото състояние" е по-нестабилно състояние, в резултат на преминаването на електрона към по-висока енергийна орбитала.

Брой на електроните във всеки слой

Електроните, които се вписват във всеки слой, се изчисляват с 2n2

Химичните елементи, които са част от периодичната таблица и които са в една и съща колона, имат същите електрони в последния слой. Броят на елетроните в първите четири слоя би бил 2, 8, 18 и 32.

Електроните се въртят в кръгови орбити без излъчваща енергия

Според Първия постулат на Бор, електроните описват кръгови орбити около ядрото на атома без излъчваща енергия.

Разрешени са орбити

Според втория постулат на Бор единствените разрешени орбити за електрона са тези, за които ъгловият момент L на електрона е цяло число, кратно на константата на Планк. Математически се изразява по следния начин:

Енергия, излъчена или погълната от скокове

Според Третия постулат, електроните излъчват или поглъщат енергия в скоковете от една орбита към друга. При скока на орбита се излъчва или абсорбира фотон, чиято енергия е представена математически:

Постулати на атомния модел на Бор

Бор е дал приемственост на планетарния модел на атома, според който електроните се въртят около положително заредено ядро, както и планетите около Слънцето.

Този модел обаче оспорва един от постулатите на класическата физика. Според това, частица с електрически заряд (подобно на електрона), която се движи по кръгов път, трябва да губи енергия непрекъснато чрез излъчване на електромагнитно излъчване. Когато губи енергия, електронът трябва да следва спирала, докато падне в ядрото.

Тогава Бор приема, че законите на класическата физика не са най-подходящи за описване на стабилността, наблюдавана в атомите, и той представя следните три постулата:

Първи постулат

Електронът се върти около ядрото в кръгови орбити, без да излъчва енергия. В тези орбити орбиталният ъглов момент е постоянен.

За електроните на атома се допускат само орбити на определени радиуси, съответстващи на определени енергийни нива.

Втори постулат

Не всички орбити са възможни. Но щом веднъж електронът е в една орбита, която е позволена, тя е в състояние на специфична и постоянна енергия и не излъчва енергия (стационарна енергийна орбита).

Например, в водородния атом разрешените енергии за електрона се дават чрез следното уравнение:

В това уравнение стойността -2.18 х 10-18 е константата на Ридберг за водородния атом, а n = квантовото число може да приеме стойности от 1 до ∞.

Електронните енергии на водороден атом, генерирани от горното уравнение, са отрицателни за всяка от стойностите на n. С увеличаването на n, енергията е по-малко отрицателна и следователно се увеличава.

Когато п е достатъчно голям - например, n = ∞ - енергията е нула и представлява, че електронът е бил освободен и йонизираният атом. Това състояние на нулевата енергия крие по-голяма енергия от състояния с отрицателни енергии.

Трети постулат

Електронът може да се промени от стационарна енергийна орбита към друга чрез излъчване или поглъщане на енергия.

Емитираната или абсорбираната енергия ще бъде равна на енергийната разлика между двете състояния. Тази енергия Е е във формата на фотон и се дава със следното уравнение:

E = h ν

В това уравнение Е е енергията (абсорбирана или емитирана), h е константата на Планк (нейната стойност е 6, 63 х 10-34 джаула-секунди [Js]) и ν е честотата на светлината, чиято единица е 1 / s.

Диаграма на енергийните нива за водородни атоми

Моделът на Бор е в състояние да обясни задоволително спектъра на водородния атом. Например в обхвата на дължини на вълната на видимата светлина емисионният спектър на водородния атом е както следва:

Да видим как можете да изчислите честотата на някои от наблюдаваните светлинни ленти; например, червеният цвят.

Използвайки първото уравнение и замествайки n за 2 и 3 получавате резултатите, които се появяват на диаграмата.

Това е:

За п = 2, Е2 = -5.45 х 10-19 J

За n = 3, E 3 = -2.42 x 10-19 J

След това е възможно да се изчисли енергийната разлика за двете нива:

E = E 3 - E 2 = (-2.42 - (- 5, 45)) x 10 - 19 = 3.43 x 10 - 19 J

Според уравнението, обяснено в третия постулат ΔE = h ν. След това можете да изчислите ν (честотата на светлината):

ν = ΔE / h

Това е:

ν = 3.43 х 10-19 J / 6.63 х 10-34 Js

ν = 4.56 x 1014 s-1 или 4.56 x 1014 Hz

Тъй като λ = c / ν и скоростта на светлината c = 3 x 10 8 m / s, дължината на вълната се определя от:

λ = 6.565 х 10 - 7 м (656.5 nm)

Това е стойността на дължината на вълната на червената лента, наблюдавана в спектъра на водородните линии.

Трите основни ограничения на модела на Бор

1 - Той се адаптира към спектъра на водородния атом, но не и към спектрите на други атоми.

2 - Характерните свойства на електрона не са представени в описанието на това като малка частица, която се върти около атомното ядро.

3- Бор не успява да обясни защо класическият електромагнетизъм не се отнася за неговия модел. Т.е. защо електроните не излъчват електромагнитно излъчване, когато се намират в стационарна орбита.

Интересни статии

Атомният модел на Шрьодингер.

Атомният модел на Бройл.

Атомният модел на Чадуик.

Атомният модел на Хайзенберг.

Атомният модел на Перин.

Атомният модел на Томсън.

Атомният модел на Далтън.

Атомният модел на Дирак Йордания.

Атомният модел на Демокрит.