แบบจำลองอะตอมของบอร์: ลักษณะ, สมมุติฐาน, ข้อ จำกัด

แบบจำลองอะตอมของ Bohr เป็นตัวแทนของอะตอมที่เสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Neils Bohr (1885-1962) แบบจำลองระบุว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นวงโคจรในระยะห่างคงที่รอบนิวเคลียสอะตอมซึ่งอธิบายการเคลื่อนที่แบบวงกลมสม่ำเสมอ วงโคจร - หรือระดับพลังงานในขณะที่เขาเรียกพวกเขา - เป็นพลังงานที่แตกต่างกัน

ทุกครั้งที่อิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรมันจะปล่อยหรือดูดซับพลังงานในปริมาณคงที่ที่เรียกว่า "ควอนตั้ม" บอร์อธิบายสเปกตรัมของแสงที่ปล่อยออกมา (หรือดูดซับ) โดยอะตอมไฮโดรเจน เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกนิวเคลียสจะมีการสูญเสียพลังงานและแสงถูกปล่อยออกมาพร้อมกับความยาวคลื่นและพลังงานที่มีลักษณะเฉพาะ

Bohr นับระดับพลังงานของอิเล็กตรอนโดยพิจารณาว่ายิ่งอิเล็กตรอนเข้าใกล้นิวเคลียสมากเท่าไรสถานะพลังงานก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ด้วยวิธีนี้ยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากเท่าไรค่าของระดับพลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้นดังนั้นสถานะพลังงานก็จะสูงขึ้น

คุณสมบัติหลัก

ลักษณะของแบบจำลอง Bohr มีความสำคัญเนื่องจากพวกเขากำหนดเส้นทางสู่การพัฒนาแบบจำลองอะตอมที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น คนหลักคือ:

มันขึ้นอยู่กับรุ่นอื่น ๆ และทฤษฎีของเวลา

แบบจำลองของ Bohr เป็นครั้งแรกที่รวมทฤษฎีควอนตัมที่ได้รับการสนับสนุนโดยแบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ดและแนวคิดที่เกิดจากโฟโตอิเล็กทริกของ Albert Einstein อันที่จริง Einstein และ Bohr เป็นเพื่อนกัน

หลักฐานการทดลอง

ตามแบบจำลองนี้อะตอมดูดซับหรือปล่อยรังสีเฉพาะเมื่ออิเล็กตรอนพุ่งระหว่างวงโคจรที่อนุญาต นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน James Franck และ Gustav Hertz ได้รับหลักฐานการทดลองของรัฐเหล่านี้ในปี 1914

อิเล็กตรอนมีอยู่ในระดับพลังงาน

อิเล็กตรอนล้อมรอบนิวเคลียสและมีอยู่ในระดับพลังงานบางอย่างซึ่งไม่ต่อเนื่องและอธิบายไว้ในจำนวนควอนตัม

ค่าพลังงานของระดับเหล่านี้มีอยู่เป็นฟังก์ชั่นของจำนวน n เรียกว่าหมายเลขควอนตัมหลักซึ่งสามารถคำนวณได้ด้วยสมการที่จะมีรายละเอียดในภายหลัง

หากไม่มีพลังงานจะไม่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ภาพประกอบด้านบนแสดงอิเล็กตรอนที่ทำให้กระโดดควอนตัม

ตามแบบจำลองนี้หากไม่มีพลังงานจะไม่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากระดับหนึ่งไปสู่อีกระดับเช่นเดียวกับที่ไม่มีพลังงานเป็นไปไม่ได้ที่จะยกวัตถุที่หล่นหรือแยกแม่เหล็กสองตัวออกมา

บอร์เสนอควอนตัมเป็นพลังงานที่อิเล็กตรอนต้องการจากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง นอกจากนี้เขายังระบุด้วยว่าระดับพลังงานต่ำสุดที่อิเล็กตรอนถูกเรียกว่า "สถานะพื้น" "สถานะความตื่นเต้น" เป็นสถานะที่ไม่เสถียรมากขึ้นซึ่งเป็นผลมาจากการผ่านของอิเล็กตรอนไปสู่การโคจรของพลังงานที่สูงขึ้น

จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละชั้น

อิเล็กตรอนที่เหมาะสมในแต่ละชั้นจะคำนวณด้วย 2n2

องค์ประกอบทางเคมีที่เป็นส่วนหนึ่งของตารางธาตุและที่อยู่ในคอลัมน์เดียวกันจะมีอิเล็กตรอนเหมือนกันในชั้นสุดท้าย จำนวน elecrones ในสี่เลเยอร์แรกจะเป็น 2, 8, 18 และ 32

อิเล็กตรอนหมุนเป็นวงโคจรเป็นวงโดยไม่ต้องมีพลังงานแผ่

ตามการคาดการณ์ครั้งแรกของ Bohr อิเล็กตรอนอธิบายวงโคจรรอบ ๆ นิวเคลียสของอะตอมโดยไม่มีพลังงานแผ่

อนุญาตให้โคจรได้

จากการอ้างอิงที่สองของ Bohr วงโคจรที่ได้รับอนุญาตเพียงอย่างเดียวของอิเล็กตรอนก็คือพวกมันซึ่งโมเมนตัมเชิงมุม L ของอิเล็กตรอนนั้นเป็นจำนวนเต็มคูณของค่าคงตัวพลังค์ ทางคณิตศาสตร์มันแสดงเช่นนี้:

พลังงานที่ปล่อยออกมาหรือดูดซับในการกระโดด

ตามทฤษฏีที่สามอิเล็กตรอนจะปล่อยหรือดูดซับพลังงานในการกระโดดจากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจร ในการกระโดดของวงโคจรโฟตอนจะถูกปล่อยออกมาหรือถูกดูดซับซึ่งพลังงานจะเป็นตัวแทนทางคณิตศาสตร์:

สมมุติฐานของโมเดลอะตอมของบอร์

บอร์ให้ความต่อเนื่องกับแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมซึ่งอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวกเช่นเดียวกับดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์

อย่างไรก็ตามรุ่นนี้ท้าทายหนึ่งในสมมุติฐานของฟิสิกส์คลาสสิก ตามนี้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า (เช่นอิเล็กตรอน) ที่เคลื่อนที่ในเส้นทางวงกลมควรจะสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่องโดยการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอนจะต้องติดตามเป็นเกลียวจนกระทั่งตกลงไปในนิวเคลียส

บอร์สันนิษฐานว่ากฎของฟิสิกส์คลาสสิกไม่เหมาะสมที่สุดในการอธิบายความเสถียรที่สังเกตได้ในอะตอมและเขาได้เสนอสามข้อต่อไปนี้:

ยืนยันก่อน

อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสในวงโคจรโดยไม่ต้องใช้พลังงาน ในวงโคจรเหล่านี้โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรคงที่

สำหรับอิเล็กตรอนของอะตอมจะอนุญาตให้โคจรรอบรัศมีที่แน่นอนได้เท่านั้นซึ่งสอดคล้องกับระดับพลังงานที่กำหนดไว้

สมมุติที่สอง

ไม่ใช่ทุกวงโคจรที่เป็นไปได้ แต่เมื่ออิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรที่ได้รับอนุญาตมันจะอยู่ในสถานะของพลังงานเฉพาะและคงที่และไม่ปล่อยพลังงาน (วงโคจรของพลังงานนิ่ง)

ตัวอย่างเช่นในอะตอมไฮโดรเจนพลังงานที่ได้รับอนุญาตสำหรับอิเล็กตรอนจะได้รับจากสมการต่อไปนี้:

ในสมการนี้ค่า -2.18 x 10-18 คือค่าคงที่ Rydberg สำหรับอะตอมไฮโดรเจนและ n = หมายเลขควอนตัมสามารถรับค่าได้ตั้งแต่ 1 ถึง∞

พลังงานอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นจากสมการข้างต้นเป็นค่าลบสำหรับแต่ละค่าของ n เมื่อเพิ่มขึ้น n พลังงานจะเป็นลบน้อยลงดังนั้นจะเพิ่มขึ้น

เมื่อ n มีขนาดใหญ่พอตัวอย่าง n = ∞-พลังงานเป็นศูนย์และแสดงว่าอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาและอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออน สถานะของพลังงานที่เป็นศูนย์นี้จะสะสมพลังงานมากกว่ารัฐที่มีพลังงานเชิงลบ

สัจพจน์ประการที่สาม

อิเล็กตรอนสามารถเปลี่ยนจากวงโคจรพลังงานคงที่ไปยังอีกด้วยการปล่อยหรือดูดซับพลังงาน

พลังงานที่ปล่อยออกมาหรือดูดซับจะเท่ากับความแตกต่างของพลังงานระหว่างสองรัฐ พลังงาน E นี้อยู่ในรูปของโฟตอนและได้มาจากสมการต่อไปนี้:

E = h ν

ในสมการนี้ E คือพลังงาน (ดูดกลืนหรือปล่อยออกมา) h คือค่าคงตัวพลังค์ (ค่าของมันคือ 6.63 x 10-34 joule-seconds [Js]) และνคือความถี่ของแสงซึ่งหน่วยคือ 1 / s

แผนผังระดับพลังงานสำหรับอะตอมไฮโดรเจน

แบบจำลองบอร์สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนได้อย่างน่าพอใจ ตัวอย่างเช่นในช่วงความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นสเปกตรัมการปล่อยของอะตอมไฮโดรเจนจะเป็นดังนี้:

มาดูกันว่าคุณสามารถคำนวณความถี่ของแถบแสงที่สังเกตได้อย่างไร ตัวอย่างเช่นสีแดง

การใช้สมการแรกและการแทนที่ n สำหรับ 2 และ 3 คุณจะได้ผลลัพธ์ที่ปรากฏในแผนภาพ

นั่นคือ:

สำหรับ n = 2, E 2 = -5.45 x 10-19 J

สำหรับ n = 3, E 3 = -2.42 x 10-19 J

จากนั้นเป็นไปได้ที่จะคำนวณความแตกต่างของพลังงานสำหรับสองระดับ:

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

ตามสมการที่อธิบายในข้อที่สามΔE = h ν จากนั้นคุณสามารถคำนวณν (ความถี่ของแสง):

ν = ΔE / h

นั่นคือ:

ν = 3.43 x 10-19 J / 6.63 x 10-34 Js

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

ตั้งแต่λ = c / νและความเร็วของแสง c = 3 x 10 8 m / s ความยาวคลื่นจะได้รับจาก:

λ = 6.565 x 10 - 7 m (656.5 nm)

นี่คือค่าของความยาวคลื่นของแถบสีแดงที่พบในสเปกตรัมของเส้นไฮโดรเจน

ข้อ จำกัด ที่สำคัญ 3 ประการของรุ่น Bohr

1- ปรับให้เข้ากับสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน แต่ไม่ตรงกับสเปกตรัมของอะตอมอื่น

2 - คุณสมบัติการแยกตัวของอิเล็กตรอนไม่ได้แสดงในรายละเอียดของสิ่งนี้ว่าเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอม

3- Bohr ล้มเหลวในการอธิบายว่าทำไมแม่เหล็กไฟฟ้าแบบดั้งเดิมใช้ไม่ได้กับแบบจำลองของเขา นั่นคือเหตุผลที่อิเล็กตรอนไม่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อพวกมันอยู่ในวงโคจรนิ่ง

บทความที่น่าสนใจ

แบบจำลองอะตอมของSchrödinger

แบบจำลองอะตอมของ Broglie

แบบจำลองอะตอมของแชดวิค

แบบจำลองอะตอมของไฮเซนเบิร์ก

แบบจำลองอะตอมของเพอร์ริน

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของดาลตัน

แบบจำลองอะตอมของ Dirac Jordan

แบบจำลองอะตอมของพรรคประชาธิปัตย์