Модель Бора

После работы Эрнеста Резерфорда и его коллег в начале двадцатого века картина атомов, состоящих из крохотных плотных ядер, окруженных более легкими и даже тонкими электронами, постоянно движущимися по ядру, была хорошо установлена. Эта картина получила название планетарной модели, поскольку она изображла атом как миниатюрную “солнечную систему” с электронами, вращающимися вокруг ядра, как планеты, вращающиеся вокруг солнца. Простейшим атомом является водород, состоящий из одного протона в качестве ядра, о котором движется один электрон. Электростатическая сила, притягивающих электрон к протону, зависит только от расстояния между двумя частицами. Это классическое описание механики атома является неполным, однако, поскольку электрон, движущийся на эллиптической орбите, будет ускоряться (изменяя направление) и, согласно классическому электромагнетизму, он должен непрерывно излучать электромагнитное излучение. Эта потеря энергии на орбите должна привести к тому, что орбита электрона будет постоянно уменьшаться до тех пор, пока она не попадет в ядро, подразумевая, что атомы по своей сути нестабильны.

В 1913 году Нильс Бор попытался разрешить атомный парадокс, проигнорировав предсказание классического электромагнетизма о том, что орбитальный электрон в водороде будет постоянно излучать свет. Вместо этого он включил описание атома в рамках классической механики－ идеи Планка о квантования и вывод Эйнштейна о том, что свет состоит из фотонов, энергия которых пропорциональна их частоте. Бор предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, обычно не будет излучать никакого излучения (гипотеза стационарного состояния), но он испускает или поглощает фотон, если он перемещается на другую орбиту. Энергия, поглощенная или испускаемая, отражает различия в орбитальных энергиях в соответствии с этим уравнением:

В этом случае константа Планка и ЭИ и ЭФ являются начальной и конечной орбитальными энергиями, соответственно. Абсолютное значение разницы энергии используется , так как частоты и длины волн всегда положительны. Вместо того, чтобы позволять непрерывным значениям энергии, Бор предполагал, что энергии этих электронных орбиталей были квантованы.

В этом выражении k является константой, включающей фундаментальные константы, такие как масса и заряд электронов и константа Планка. Подстановка выражения для энергий орбиты в уравнение для ΔE дает

Одним из фундаментальных законов физики является то, что материя наиболее стабильна с наименьшей возможной энергией. Таким образом, электрон в атоме водорода обычно движется по орбите n = 1, орбите, на которой он обладает наименьшей энергией. Когда электрон находится на этой самой низкой энергетической орбите, считается, что атом находится в своем наземном электронном состоянии (или просто в наземном состоянии). Если атом получает энергию от внешнего источника, электрон может переместиться на орбиту с более высоким значением n, а атом теперь находится в возбужденном электронном состоянии (или просто возбужденном состоянии) с более высокой энергией. Когда происходит переход электрона из возбужденного состояния (более высокая энергетическая орбита) в менее возбужденное состояние или основное состояние, разница в энергии излучается в виде фотона. Точно так же, если фотон поглощается атомом, энергия фотона перемещает электрон с более низкой энергетической орбиты на более возбужденную. Мы можем связать энергию электронов в атомах с тем, что мы узнали об энергии ранее. Закон сохранения энергии гласит, что мы не можем ни создавать, ни разрушать энергию. Таким образом, если для возбуждения электрона с одного энергетического уровня на другой требуется определенное количество внешней энергии, то такое же количество энергии будет высвобождено, когда электрон вернется в свое исходное состояние.

Поскольку модель Бора была связана только с одним электроном, она также может применяться к одноэлектронным ионам HE⁺, Li²⁺, BE³⁺ и так далее, которые отличаются от водорода только в своих ядерных зарядах, и поэтому одноэлектронные атомы и ионы в совокупности называются атомами, похожими на водород.  

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2e, раздел 6.2: Модель Бора.