7.5
Bohr Modeli
Ernest Rutherford ve meslektaşlarının yirminci yüzyılın başlarındaki çalışmalarını takiben, çekirdek etrafında sürekli olarak hareket eden daha hafif…
Gezegen modeli, hidrojen atomunu, elektronun pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında döndüğü küçük bir güneş sistemi olarak tanımlar. Klasik fizik, elektronun dairesel bir yörüngede hareket eden yüklü bir parçacık olması nedeniyle, pozitif yüklü çekirdeğin etrafında dönerek hareket ederken sürekli olarak enerji yayması gerektiğini öne sürer. Sonunda atom çökmelidir.
Ancak bu gözlenmez. Atomlar kararlıdır. Niels Bohr, çekirdekten belirli, sabit mesafelerde yörüngeler olduğunu öne sürmüştür.
Bu yörüngeler, ana kuantum sayısı n ile numaralandırılmış tam sayılardır. Çekirdeğe en yakın yörüngede n bire eşittir. n herhangi bir pozitif tamsayı olabilir, ancak asla sıfır olamaz.
n arttıkça yörüngenin yarıçapı da artar. Çekirdekten daha uzak olan bir elektron, daha zayıf bir elektrostatik kuvvet etkisindedir ve protona doğru daha az çekilir. Her yörünge, belirli bir enerji düzeyine veya durumuna karşılık gelir.
Seviyeler belirli enerji düzeylerine sahiptir, yani arada farklı bir enerji düzeyinin olması mümkün değildir. En düşük, en kararlı enerji durumundaki elektronun temel durumunda olduğu söylenir. n'nin birden büyük olduğu daha yüksek enerji durumları, uyarılmış durumlar olarak adlandırılır.
Bir elektron, yalnızca dışarıdan enerji kazandığında ya da daha düşük bir enerji durumuna geri döndüğünde ve bir foton biçiminde fazla enerji saldığında farklı bir enerji durumuna geçebilir. Emilen veya yayılan enerji, son ve ilk enerji seviyeleri arasındaki enerji farkıyla ilgilidir. Daha yüksek bir enerji seviyesinden temel duruma dönen elektronlar, daha düşük bir enerji seviyesinden temel duruma dönen elektronlardan daha kısa dalga boylu ışık yayarlar.
Bohr'un modeli yalnızca hidrojen veya tek elektronlu iyonlar için uygun olsa da, daha doğru atom modelleri için zemin hazırlamıştır.
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.