7.5
بعد عمل إرنست روثرفورد وزملائه في أوائل القرن العشرين، فإن صورة الذرات التي تتكون من نوى كثيفة صغيرة محاطة بإلكترونات أخف وزناً بل وأصغر تتحرك باستمرا…
يصف النموذج الكوكبي ذرة الهيدروجين كنظام شمسي صغير،مع الإلكترون في مدار حول نواة موجبة الشحنة. تقترح الفيزياء الكلاسيكية ذلك،لأن الإلكترون هو جسيم مشحون يتحرك في مدار دائري،يجب أن يشع باستمرار الطاقة بينما يتصاعد لولبياًالى النواة الموجبة الشحنة. في النهاية،ستنهار الذرة.
ومع ذلك،لم يتم ملاحظة هذا. الذرات مستقرة. اقترح نيلز بور أن هناك مدارات معينه بمسافات محددة وثابتة من النواة.
هذه المدارات هي أعداد صحيحة مرقمة تسمى برقم الكم الرئيسي،N. المدار الأقرب للنواة هو n يساوي واحدًا. يمكن أن يكون n أي عدد صحيح موجب،ولكن ليس صفرًا.
مع زيادة n،يزداد قطر المدار. أى إلكترون بعيد عن النواة يواجه قوة إلكتروستاتيكية أضعف ويكون أقل انجذابًا إلى البروتون. كل مدار يتوافق مع مستوى طاقة معين أو حاله.
يتم تحديد المستويات،مما يعني أنّانعدام طاقة فيما بينهم ممكن. الإلكترون في أدنى مستوياته وأكثرها استقرارًا عند n يساوي واحد-يقال إنه في حالته الأساسية. حالات الطاقة الأعلى،حيث n أكبر من واحد،تسمى الحاله المثارة.
يمكن للإلكترون أن ينتقل فقط إلى حالة طاقة مختلفة إمّا عندما يمتص الطاقة ويقفز إلى مستوى أعلى أو عندما ينتقل عائداًإلى حالة طاقة أقل وتطلق الطاقة الزائدة على شكل فوتون. الطاقة الممتصة أو المنبعثة ترتبط بالاختلاف في الطاقة بين مستويات الطاقة النهائية والأولية. تبعث الإلكترونات في مستوى الطاقة الأعلى ضوء له طول موجي أقصر،من الإلكترونات في مستوى الطاقة الأقل.
على الرغم من أن نموذج بوهر مناسب فقط للهيدروجين أو أيونات الإلكترون المفردة،فقد مهد الطريق لنماذج ذرية أكثر دقة.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does the planetary model predict that atoms should collapse?
According to classical physics, an electron orbiting the nucleus is a charged particle moving in a circular path. This acceleration should cause it to continuously radiate electromagnetic energy. As the electron loses energy, its orbit shrinks until it spirals into the nucleus, making atoms inherently unstable. However, atoms are observed to be stable, revealing a fundamental flaw in the classical model.
Q2: What are quantized energy levels in the Bohr model?
The Bohr model proposes that electrons occupy orbits at fixed distances from the nucleus, each corresponding to a specific energy level labeled by the principal quantum number n. These energy levels are quantized, meaning only certain discrete energies are allowed—no intermediate energies exist. As n increases, the orbital radius and energy increase, with n=1 representing the lowest, most stable ground state.
Q3: How does an electron transition between energy levels in the Bohr model?
An electron transitions between energy levels by absorbing or emitting energy. When absorbing energy, it jumps to a higher energy level (excited state). When transitioning back to a lower level, it releases excess energy as a photon. The energy of the emitted or absorbed photon equals the difference between the final and initial energy levels, allowing prediction of spectral lines through emission spectra hydrogen emission.
Q4: What is the ground state and why is it significant?
The ground state is the lowest energy state of an atom, where the electron occupies the n=1 orbit closest to the nucleus. This is the most stable configuration because matter naturally seeks the lowest possible energy. An electron in the ground state requires energy input to move to higher energy levels. Most electrons exist in the ground state unless external energy excites them to excited states.
Q5: Why does the Bohr model work for hydrogen but not for multielectron atoms?
The Bohr model assumes a single electron orbiting the nucleus with a simple electrostatic attraction. In multielectron atoms, electrons repel each other, creating complex interactions that the model cannot account for. The model also cannot explain electron configuration of multielectron atoms or predict their spectral properties accurately. More sophisticated quantum mechanical models are needed for atoms with multiple electrons.
Q6: What relationship exists between orbital radius and energy in the Bohr model?
In the Bohr model, as the principal quantum number n increases, both the orbital radius and the energy of the electron increase. An electron farther from the nucleus experiences weaker electrostatic attraction and is less tightly bound. This means higher energy states correspond to larger orbits, with electrons in outer orbits requiring less energy to remove from the atom compared to those in inner orbits.
Q7: Can the Bohr model be applied to ions other than hydrogen?
Yes, the Bohr model applies to hydrogen-like atoms and ions with a single electron, such as He+, Li2+, and Be3+. These species differ from hydrogen only in their nuclear charge but maintain the same single-electron structure. The model's predictions for energy levels and spectral lines remain valid for these one-electron systems, though the specific energy values change based on the nuclear charge.