7.5
После работы Эрнеста Резерфорда и его коллег в начале двадцатого века картина атомов, состоящих из крохотных плотных ядер, окруженных более легкими и…
Планетарная модель описывает атом водорода как крошечную солнечную систему с электроном, вращающимся вокруг положительно заряженного ядра. Классическая физика предполагает, что, поскольку электрон является заряженной частицей, движущейся по круговой орбите, он должен непрерывно излучать энергию, в то же время двигаясь по спирали к положительно заряженному ядру. В конце концов, атом должен распадаться.
Однако этого не наблюдается. Атомы являются устойчивыми. Нильс Бор предположил, что существуют орбиты на определенных фиксированных расстояниях от ядра.
Эти орбиты пронумерованы целыми числами, помеченными главным квантовым числом n. Ближайшая к ядру орбита n равна единице. N может быть любым положительным целым числом, но не нулем.
Чем больше n, тем больше радиус орбиты. Электрон, который находится дальше от ядра, испытывает более слабую электростатическую силу и слабее притягивается к протону. Каждая орбита соответствует определенному энергетическому уровню или состоянию.
Уровни квантованы, что означает, что никакие промежуточные энергии невозможны. Электрон в самом низком, наиболее стабильном энергетическом состоянии при n, равном единице, считается основным. Состояния с более высокой энергией, где n больше единицы, называются возбужденными состояниями.
Электрон может перейти в другое энергетическое состояние только тогда, когда он поглощает энергию и перескакивает на более высокий уровень, или когда он переходит обратно в более низкое энергетическое состояние и высвобождает избыточную энергию в виде фотона. Поглощенная или испускаемая энергия связана с разницей в энергии между конечным и начальным уровнями энергии. Электроны, релаксирующие с более высокого энергетического уровня, излучают свет с меньшей длиной волны, чем электроны, релаксирующие с более низкого энергетического уровня.
Хотя модель Бора подходит только для водорода или одноэлектронных ионов, она легла в основу более точных атомных моделей.
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.