Ατομικό Μοντέλο Χαρακτηριστικών Bohr, Postulates, Περιορισμοί



Το Ατομικό μοντέλο του Bohr είναι μία αναπαράσταση του ατόμου που προτείνει η Δανός φυσικός Neils Bohr (1885-1962). Το μοντέλο δηλώνει ότι το ηλεκτρόνιο κινείται σε τροχιές σε σταθερή απόσταση γύρω από τον ατομικό πυρήνα, περιγράφοντας μια ομοιόμορφη κυκλική κίνηση. Οι τροχιές - ή τα επίπεδα ενέργειας, όπως τους αποκαλούσαν - έχουν διαφορετική ενέργεια.

Κάθε φορά που το ηλεκτρόνιο αλλάζει τροχιά, εκπέμπει ή απορροφά ενέργεια σε σταθερές ποσότητες που ονομάζεται "quanta". Ο Bohr εξήγησε το φάσμα του φωτός που εκπέμπεται (ή απορροφάται) από το άτομο υδρογόνου. Όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από μια τροχιά προς μια άλλη προς τον πυρήνα, υπάρχει απώλεια ενέργειας και εκπέμπεται φως με μήκος κύματος και ενεργειακά χαρακτηριστικά.

Ο Bohr αριθμούσε τα επίπεδα ενέργειας του ηλεκτρονίου, λαμβάνοντας υπόψη ότι όσο πιο κοντά βρίσκεται το ηλεκτρόνιο στον πυρήνα, τόσο χαμηλότερη είναι η ενεργειακή του κατάσταση. Με αυτόν τον τρόπο, όσο πιο μακριά το ηλεκτρόνιο είναι από τον πυρήνα, τόσο μεγαλύτερος θα είναι ο αριθμός ενεργειακού επιπέδου και συνεπώς η ενεργειακή κατάσταση θα είναι υψηλότερη.

Ευρετήριο

  • 1 Κύρια χαρακτηριστικά
    • 1.1 Βασίζεται σε άλλα μοντέλα και θεωρίες της εποχής
    • 1.2 Πειραματικά στοιχεία
    • 1.3 Τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε επίπεδα ενέργειας
    • 1.4 Χωρίς ενέργεια δεν υπάρχει κίνηση του ηλεκτρονίου
    • 1.5 Αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε στρώμα
    • 1.6 Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε κυκλικές τροχιές χωρίς να ακτινοβολούν ενέργεια
    • 1.7 Επιτρεπόμενες τροχιές
    • 1.8 Η ενέργεια που εκπέμπεται ή απορροφάται σε άλματα
  • 2 Τα αξιώματα του ατομικού μοντέλου Bohr
    • 2.1 Πρώτη θέση
    • 2.2 Δεύτερη υποψία
    • 2.3 Τρίτος αξιωματικός
  • 3 Διάγραμμα ενεργειακών επιπέδων για άτομα υδρογόνου
  • 4 Οι 3 κύριοι περιορισμοί του μοντέλου Bohr
  • 5 Άρθρα ενδιαφέροντος
  • 6 Αναφορές

Κύρια χαρακτηριστικά

Τα χαρακτηριστικά του μοντέλου Bohr είναι σημαντικά επειδή καθόρισαν την πορεία προς την ανάπτυξη ενός πληρέστερου ατομικού μοντέλου. Τα κυριότερα είναι:

Βασίζεται σε άλλα μοντέλα και θεωρίες της εποχής

Το μοντέλο του Bohr ήταν το πρώτο που ενσωμάτωσε την κβαντική θεωρία υποστηριζόμενη από το ατομικό μοντέλο του Rutherford και ιδέες που ελήφθησαν από το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα του Albert Einstein. Στην πραγματικότητα ο Αϊνστάιν και ο Bohr ήταν φίλοι.

Πειραματικά στοιχεία

Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, τα άτομα απορροφούν ή εκπέμπουν ακτινοβολία μόνο όταν τα ηλεκτρόνια μεταπηδήσουν μεταξύ των επιτρεπόμενων τροχιών. Οι γερμανοί φυσικοί James Franck και Gustav Hertz απέκτησαν πειραματικές αποδείξεις για αυτά τα κράτη το 1914.

Τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε επίπεδα ενέργειας

Τα ηλεκτρόνια περιβάλλουν τον πυρήνα και υπάρχουν σε ορισμένα επίπεδα ενέργειας που είναι διακριτές και περιγράφονται στην κβαντική αριθμούς.

Η ενεργειακή αξία αυτών των επιπέδων υπάρχει ως συνάρτηση ενός αριθμού n, που ονομάζεται κύριος κβαντικός αριθμός, ο οποίος μπορεί να υπολογιστεί με εξισώσεις που θα αναλυθούν αργότερα.

Χωρίς ενέργεια δεν υπάρχει κίνηση του ηλεκτρονίου

Η παραπάνω απεικόνιση δείχνει ένα ηλεκτρόνιο που κάνει κβαντικά άλματα.

Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, χωρίς ενέργεια δεν υπάρχει κίνηση του ηλεκτρόνιου από το ένα επίπεδο στο άλλο, ακριβώς όπως χωρίς ενέργεια δεν είναι δυνατό να σηκωθεί ένα αντικείμενο που έχει πέσει ή χωρίσει δύο μαγνήτες.

Ο Bohr πρότεινε το κβαντικό ως ενέργεια που απαιτείται από ένα ηλεκτρόνιο να περάσει από το ένα επίπεδο στο άλλο. Ανέφερε επίσης ότι το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας που καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιο ονομάζεται «κατάσταση εδάφους». Η "διεγερμένη κατάσταση" είναι μια πιο ασταθής κατάσταση, που προκύπτει από τη διέλευση ενός ηλεκτρόνου σε τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας. 

Αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε στρώμα

Τα ηλεκτρόνια που χωρούν σε κάθε στρώση υπολογίζονται με το 2n2 

Τα χημικά στοιχεία που αποτελούν μέρος του περιοδικού πίνακα και τα οποία βρίσκονται στην ίδια στήλη έχουν τα ίδια ηλεκτρόνια στην τελευταία στρώση. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων στα πρώτα τέσσερα στρώματα θα είναι 2, 8, 18 και 32.

Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε κυκλικές τροχιές χωρίς να εκπέμπουν ενέργεια

Σύμφωνα με τον πρώτο νόημα του Bohr, τα ηλεκτρόνια περιγράφουν κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα του ατόμου χωρίς να εκπέμπει ενέργεια.

Επιτρέπονται οι τροχιές

Σύμφωνα με το δεύτερο Postulate του Bohr, οι μοναδικές επιτρεπόμενες τροχιές για ένα ηλεκτρόνιο είναι εκείνες για τις οποίες η γωνιακή ορμή L του ηλεκτρονίου είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της σταθεράς του Planck. Μαθηματικά εκφράζεται ως εξής:

Η ενέργεια που εκπέμπεται ή απορροφάται σε άλματα

Σύμφωνα με το τρίτο αξίωμα, τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν ή απορροφούν ενέργεια σε άλματα από τη μια τροχιά στην άλλη. Στην τροχιά άλμα εκπέμπεται ή απορροφάται ένα φωτόνιο των οποίων η ενέργεια αντιπροσωπεύεται μαθηματικά:

Τα αξιώματα του ατομικού μοντέλου Bohr

Ο Bohr έδωσε συνέχεια στο πλανητικό μοντέλο του ατόμου, σύμφωνα με το οποίο τα ηλεκτρόνια περιστρέφονταν γύρω από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα, καθώς και τους πλανήτες γύρω από τον Ήλιο.

Ωστόσο, αυτό το μοντέλο προκαλεί ένα από τα αξιώματα της κλασικής φυσικής. Σύμφωνα με αυτό, ένα σωματίδιο με ένα ηλεκτρικό φορτίο (όπως το ηλεκτρόνιο) που κινείται σε μια κυκλική διαδρομή, θα πρέπει να χάσει ενέργεια συνεχώς με εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Όταν χάνει ενέργεια, το ηλεκτρόνιο θα πρέπει να ακολουθεί μια σπείρα μέχρι να πέσει στον πυρήνα.

Ο Bohr τότε θεώρησε ότι οι νόμοι της κλασικής φυσικής δεν ήταν οι πλέον κατάλληλοι για να περιγράψουν τη σταθερότητα που παρατηρήθηκε στα άτομα και παρουσίασε τα ακόλουθα τρία αξιώματα:

Πρώτο αξίωμα

Το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα σε τροχιές γύρω από την τροχιά, χωρίς να ακτινοβολεί ενέργεια. Σε αυτές τις τροχιές η τροχιακή γωνιακή ορμή είναι σταθερή.

Για τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου επιτρέπονται μόνο τροχιές συγκεκριμένων ακτίνων, που αντιστοιχούν σε ορισμένα καθορισμένα επίπεδα ενέργειας.

Δεύτερο αξίωμα

Δεν είναι όλες οι τροχιές. Αλλά μόλις το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε τροχιά που επιτρέπεται, βρίσκεται σε κατάσταση συγκεκριμένης και σταθερής ενέργειας και δεν εκπέμπει ενέργεια (τροχιά στατικής ενέργειας).

Για παράδειγμα, στο άτομο υδρογόνου οι επιτρεπόμενες ενέργειες για το ηλεκτρόνιο δίδονται από την ακόλουθη εξίσωση:

Οι ενέργειες των ηλεκτρονίων ενός ατόμου υδρογόνου που παράγονται από την παραπάνω εξίσωση είναι αρνητικές για κάθε μια από τις τιμές του n. Καθώς το n αυξάνεται, η ενέργεια είναι λιγότερο αρνητική και συνεπώς αυξάνεται.

Όταν το n είναι αρκετά μεγάλο - για παράδειγμα, n = ∞ - η ενέργεια είναι μηδενική και αντιπροσωπεύει ότι το ηλεκτρόνιο έχει απελευθερωθεί και το ιονισμένο άτομο. Αυτή η κατάσταση μηδενικής ενέργειας φιλοξενεί μια μεγαλύτερη ενέργεια από τις καταστάσεις με αρνητικές ενέργειες.

Τρίτον αξιωματικός

Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να αλλάξει από μια στατική ενεργειακή τροχιά σε μια άλλη, εκπέμποντας ή απορροφώντας ενέργεια.

Η ενέργεια που εκπέμπεται ή απορροφάται θα είναι ίση με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο καταστάσεων. Αυτή η ενέργεια Ε έχει τη μορφή φωτονίου και δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση:

E = h ν

Στην εξίσωση αυτή E είναι η ενέργεια (απορροφηθεί ή εκπέμπεται), h είναι η σταθερά Planck (η τιμή της είναι 6.63 x 10-34 joule-δευτερόλεπτα [J-s]) και ν είναι η συχνότητα του φωτός, του οποίου η μονάδα είναι 1 / s.

Διάγραμμα ενεργειακών επιπέδων για άτομα υδρογόνου

Το μοντέλο Bohr ήταν σε θέση να εξηγήσει ικανοποιητικά το φάσμα του ατόμου υδρογόνου. Για παράδειγμα, στην περιοχή των μηκών κύματος ορατού φωτός, το φάσμα εκπομπών του ατόμου υδρογόνου έχει ως εξής:

Ας δούμε πώς μπορείτε να υπολογίσετε τη συχνότητα ορισμένων από τις παρατηρούμενες λωρίδες φωτός. για παράδειγμα, το κόκκινο χρώμα.

Χρησιμοποιώντας την πρώτη εξίσωση και υποκαθιστώντας το n για 2 και 3, θα λάβετε τα αποτελέσματα που εμφανίζονται στο διάγραμμα.

Αυτό είναι:

Για n = 2, Ε2 = -5,45 χ 10-19 J

Για n = 3, Ε3 = -2,42 χ 10-19 J

Στη συνέχεια είναι δυνατός ο υπολογισμός της διαφοράς ενέργειας για τα δύο επίπεδα:

ΔΕ = Ε3 - Ε2 = (-2,42 - (- 5,45)) x 10 - 19 = 3.43 χ 10 - 19 J

Σύμφωνα με την εξίσωση που εξηγείται στο τρίτο αξίωμα ΔE = h ν. Στη συνέχεια, μπορείτε να υπολογίσετε τη ν (συχνότητα φωτός):

ν = ΔΕ / ώρα

Αυτό είναι:

ν = 3,43 χ 10-19 J / 6,63 χ 10-34 J-s

ν = 4,56 χ 1014 s-1 ή 4,56 χ 1014 Hz

Όντας λ = c / ν, και η ταχύτητα του φωτός c = 3 x 10 8 m / s, το μήκος κύματος δίνεται από:

λ = 6.565 χ 10 - 7 m (656,5 nm)

Αυτή είναι η τιμή του μήκους κύματος της κόκκινης ζώνης που παρατηρείται στο φάσμα των γραμμών υδρογόνου.

Οι 3 βασικοί περιορισμοί του μοντέλου Bohr

1- Προσαρμόζεται στο φάσμα του ατόμου υδρογόνου αλλά όχι στα φάσματα άλλων ατόμων.

2- Οι κυματοειδείς ιδιότητες του ηλεκτρονίου δεν αντιπροσωπεύονται στην περιγραφή αυτού ως ένα μικρό σωματίδιο που περιστρέφεται γύρω από τον ατομικό πυρήνα.

3 - Ο Bohr δεν εξηγεί γιατί ο κλασσικός ηλεκτρομαγνητισμός δεν ισχύει για το μοντέλο του. Δηλαδή, γιατί τα ηλεκτρόνια δεν εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όταν βρίσκονται σε στατική τροχιά.

Άρθρα ενδιαφέροντος

Ατομικό μοντέλο του Schrödinger.

Ατομικό μοντέλο του Broglie.

Ατομικό μοντέλο του Chadwick.

Ατομικό μοντέλο του Heisenberg.

Ατομικό μοντέλο Perrin.

Ατομικό μοντέλο της Thomson.

Ατομικό μοντέλο του Dalton.

Ατομικό μοντέλο του Dirac Ιορδανία.

Ατομικό μοντέλο του Δημόκριτου.

Αναφορές

  1. Brown, Τ. L. (2008). Χημεία: η κεντρική επιστήμη. Ποταμός άνω σέλας, NJ: αίθουσα Pearson Prentice
  2. Eisberg, R., & Resnick, R. (2009). Κβαντική φυσική ατόμων, μορίων, στερεών, πυρήνων και σωματιδίων. Νέα Υόρκη: Wiley
  3. Ατομικό μοντέλο του Bohr-Sommerfeld. Ανακτήθηκε από: fisquiweb.es
  4. Joesten, Μ. (1991). Κόσμος της χημείας Φιλαδέλφεια, Pa.: Saunders College Publishing, σελ. 76-78.
  5. Modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène. Ανακτήθηκε από fr.khanacademy.org
  6. Izlar, Κ. Retrospective sur l'atome: le modèle de Bohr a cent. Ανακτήθηκε από: home.cern