7.5
Het Bohr-model
Na het werk van Ernest Rutherford en zijn collega's in het begin van de twintigste eeuw was het beeld van atomen bestaande uit kleine, dichte atoomker…
Het planetaire model beschrijft het waterstofatoom als een klein zonnestelsel, waarbij het elektron in een baan om een positief geladen kern draait. De klassieke natuurkunde suggereert dat, omdat het elektron een geladen deeltje is dat in een cirkelvormige baan beweegt, het continu energie moet uitstralen terwijl het in de positief geladen kern beweegt. Uiteindelijk zou het atoom instorten.
Dit wordt echter niet waargenomen. Atomen zijn stabiel. Niels Bohr stelde voor dat er banen zijn op bepaalde, vaste afstanden van de kern.
Deze banen zijn genummerde gehele getallen gelabeld door het hoofdkwantumnummer, n. De baan die het dichtst bij de kern ligt is n gelijk aan één. n kan elk positief geheel getal zijn, maar nooit nul.
Naarmate n toeneemt, neemt ook de straal van de orbitaal toe. Een elektron dat verder van de kern verwijderd is, ervaart een zwakkere elektrostatische kracht en wordt minder sterk aangetrokken door het proton. Elke baan komt overeen met een bepaald energieniveau of een bepaalde toestand.
De niveaus zijn gekwantiseerd, wat betekent dat er geen energieën tussenin mogelijk zijn. Een elektron in zijn laagste, meest stabiele energietoestand op n gelijk aan één zou zich in zijn grondtoestand bevinden. De hogere energietoestanden, waarbij n groter is dan één, worden de aangeslagen toestanden genoemd.
Een elektron kan alleen naar een andere energietoestand gaan wanneer het energie absorbeert en naar een hoger niveau springt of wanneer het teruggaat naar een lagere energietoestand en overtollige energie vrijgeeft in de vorm van een foton. De geabsorbeerde of uitgezonden energie is gerelateerd aan het verschil in energie tussen het uiteindelijke en initiële energieniveau. Elektronen die ontspannen vanaf een hoger energieniveau, zenden licht met een kortere golflengte uit dan elektronen die ontspannen vanaf een lager energieniveau.
Hoewel Bohr's model alleen geschikt is voor waterstof-of enkelvoudige elektronionen, heeft het de basis gelegd voor nauwkeurigere atomaire modellen.
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.