แบบจำลองอะตอมของ BOHR: ลักษณะและสมมุติฐาน - กายภาพ - 2026

Bohr แบบจำลองอะตอมเป็นตัวแทนของอะตอมที่เสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Neils Bohr (1885-1962) แบบจำลองนี้กำหนดให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรในระยะทางคงที่รอบนิวเคลียสของอะตอมโดยอธิบายถึงการเคลื่อนที่เป็นวงกลมสม่ำเสมอ วงโคจรหรือระดับพลังงานอย่างที่เขาเรียกกันนั้นมีพลังงานที่แตกต่างกัน

ทุกครั้งที่อิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรมันจะปล่อยหรือดูดซับพลังงานในปริมาณคงที่เรียกว่า "ควอนต้า" บอร์อธิบายสเปกตรัมของแสงที่ปล่อยออกมา (หรือดูดซับ) โดยอะตอมของไฮโดรเจน เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรจะมีการสูญเสียพลังงานและแสงจะถูกปล่อยออกมาโดยมีความยาวคลื่นและพลังงานลักษณะเฉพาะ

ที่มา: wikimedia.org. ผู้แต่ง: Sharon Bewick, Adrignola ภาพประกอบแบบจำลองอะตอมของ Bohr โปรตอนวงโคจรและอิเล็กตรอน

บอร์ระบุระดับพลังงานของอิเล็กตรอนโดยพิจารณาว่ายิ่งอิเล็กตรอนอยู่ใกล้นิวเคลียสมากเท่าไหร่สถานะพลังงานก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ดังนั้นยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากเท่าไหร่จำนวนของระดับพลังงานก็จะยิ่งมากขึ้นและสถานะพลังงานก็จะยิ่งมากขึ้น

คุณสมบัติหลัก

คุณลักษณะแบบจำลองของบอร์มีความสำคัญเนื่องจากเป็นตัวกำหนดเส้นทางสู่การพัฒนาแบบจำลองอะตอมที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น หลัก ๆ คือ:

ได้รับการสนับสนุนโดยโมเดลและทฤษฎีอื่น ๆ ในเวลานั้น

แบบจำลองของบอร์เป็นคนแรกที่รวมทฤษฎีควอนตัมโดยอาศัยแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดและแนวคิดที่นำมาจากเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกของ Albert Einstein ในความเป็นจริง Einstein และ Bohr เป็นเพื่อนกัน

หลักฐานการทดลอง

ตามแบบจำลองนี้อะตอมจะดูดซับหรือปล่อยรังสีก็ต่อเมื่ออิเล็กตรอนกระโดดระหว่างวงโคจรที่อนุญาต James Franck และ Gustav Hertz นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้รับหลักฐานการทดลองสำหรับรัฐเหล่านี้ในปีพ. ศ. 2457

อิเล็กตรอนมีอยู่ในระดับพลังงาน

อิเล็กตรอนล้อมรอบนิวเคลียสและมีอยู่ในระดับพลังงานบางอย่างซึ่งไม่ต่อเนื่องและอธิบายด้วยตัวเลขควอนตัม

ค่าของพลังงานของระดับเหล่านี้มีอยู่เป็นฟังก์ชันของจำนวน n เรียกว่าจำนวนควอนตัมหลักซึ่งสามารถคำนวณได้ด้วยสมการที่จะมีรายละเอียดในภายหลัง

หากไม่มีพลังงานจะไม่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ที่มา: wikimedia.org. ผู้แต่ง: Kurzon

ภาพประกอบด้านบนแสดงอิเล็กตรอนที่ทำให้ควอนตัมกระโดด

ตามแบบจำลองนี้หากไม่มีพลังงานจะไม่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากระดับหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่งเช่นเดียวกับที่ไม่มีพลังงานก็ไม่สามารถยกวัตถุที่ตกลงมาหรือแยกแม่เหล็กสองชิ้นออกจากกันได้

บอร์แนะนำควอนตัมว่าเป็นพลังงานที่อิเล็กตรอนต้องการในการส่งผ่านจากระดับหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง นอกจากนี้เขายังระบุด้วยว่าระดับพลังงานต่ำสุดที่อิเล็กตรอนครอบครองเรียกว่า "สถานะพื้น" "สถานะตื่นเต้น" เป็นสถานะที่ไม่เสถียรมากขึ้นซึ่งเป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนผ่านไปยังออร์บิทัลพลังงานที่สูงขึ้น

จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละเปลือก

อิเล็กตรอนที่พอดีในแต่ละเปลือกคำนวณด้วย 2n ²

องค์ประกอบทางเคมีที่เป็นส่วนหนึ่งของตารางธาตุและอยู่ในคอลัมน์เดียวกันจะมีอิเล็กตรอนเหมือนกันในเปลือกสุดท้าย จำนวนอิเลคตรอนในสี่ชั้นแรกจะเป็น 2, 8, 18 และ 32

อิเล็กตรอนหมุนเป็นวงโคจรโดยไม่แผ่พลังงาน

ตามสมมติฐานแรกของ Bohr อิเล็กตรอนอธิบายวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมโดยไม่ต้องแผ่พลังงาน

อนุญาตให้ใช้วงโคจร

ตามสมมติฐานที่สองของ Bohr วงโคจรเดียวที่อนุญาตสำหรับอิเล็กตรอนคือวงโคจรที่โมเมนตัมเชิงมุม L ของอิเล็กตรอนเป็นจำนวนเต็มจำนวนเต็มของค่าคงที่ของพลังค์ ในทางคณิตศาสตร์จะแสดงออกเช่นนี้:

พลังงานที่ปล่อยออกมาหรือดูดซับในการกระโดด

ตามหลักการที่สามอิเล็กตรอนจะปล่อยหรือดูดซับพลังงานในการกระโดดจากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจร ในการกระโดดของวงโคจรโฟตอนจะถูกปล่อยออกมาหรือถูกดูดซับซึ่งพลังงานจะแสดงทางคณิตศาสตร์:

แบบจำลองอะตอมของบอร์ตั้งสมมติฐาน

บอร์ยังคงสร้างแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ตามที่อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวกเช่นเดียวกับดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์

อย่างไรก็ตามแบบจำลองนี้ท้าทายหนึ่งในสมมติฐานของฟิสิกส์คลาสสิก ด้วยเหตุนี้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า (เช่นอิเล็กตรอน) ที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมควรสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่องโดยการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอนจะต้องตามเกลียวจนกว่าจะตกลงไปในนิวเคลียส

จากนั้นบอร์สันนิษฐานว่ากฎของฟิสิกส์คลาสสิกไม่เหมาะสมที่สุดสำหรับการอธิบายความเสถียรของอะตอมที่สังเกตได้และหยิบยกสามข้อต่อไปนี้:

สมมุติฐานก่อน

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสในวงโคจรที่วาดเป็นวงกลมโดยไม่ต้องแผ่พลังงานออกไป ในวงโคจรเหล่านี้โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรจะคงที่

สำหรับอิเล็กตรอนของอะตอมอนุญาตให้ใช้เฉพาะวงโคจรของรัศมีที่แน่นอนซึ่งสอดคล้องกับระดับพลังงานที่กำหนดไว้

สมมุติฐานที่สอง

ไม่ใช่ทุกวงโคจรที่เป็นไปได้ แต่เมื่ออิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรที่ได้รับอนุญาตมันจะอยู่ในสถานะของพลังงานที่เฉพาะเจาะจงและคงที่และไม่ปล่อยพลังงานออกมา (วงโคจรพลังงานนิ่ง)

ตัวอย่างเช่นในอะตอมของไฮโดรเจนพลังงานที่อนุญาตสำหรับอิเล็กตรอนจะได้รับจากสมการต่อไปนี้:

ในสมการนี้ค่า -2.18 x 10 ^–18คือค่าคงที่ Rydberg สำหรับอะตอมของไฮโดรเจนและ n = จำนวนควอนตัมสามารถรับค่าได้ตั้งแต่ 1 ถึง∞

พลังงานอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นจากสมการก่อนหน้านี้เป็นลบสำหรับแต่ละค่าของ n เมื่อ n เพิ่มขึ้นพลังงานจะเป็นลบน้อยลงและเพิ่มขึ้น

เมื่อ n มีขนาดใหญ่พอ - ตัวอย่างเช่น n = ∞ - พลังงานเป็นศูนย์และแสดงว่าอิเล็กตรอนถูกปลดปล่อยและอะตอมแตกตัวเป็นไอออน สถานะพลังงานศูนย์นี้เก็บพลังงานไว้สูงกว่าสถานะพลังงานเชิงลบ

สมมุติฐานที่สาม

อิเล็กตรอนสามารถเปลี่ยนจากวงโคจรพลังงานนิ่งหนึ่งไปยังอีกวงโคจรได้โดยการปล่อยหรือดูดซับพลังงาน

พลังงานที่ปล่อยออกมาหรือดูดซึมจะเท่ากับผลต่างของพลังงานระหว่างสองสถานะ พลังงาน E นี้อยู่ในรูปของโฟตอนและได้รับจากสมการต่อไปนี้:

E = h ν

ในสมการนี้ E คือพลังงาน (ดูดซับหรือเปล่งออกมา) h คือค่าคงที่ของพลังค์ (ค่าของมันคือ 6.63 x 10 ^-34จูล - วินาที) และνคือความถี่ของแสงซึ่งมีหน่วยเป็น 1 / s .

แผนภาพระดับพลังงานสำหรับอะตอมไฮโดรเจน

แบบจำลองของบอร์สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนได้อย่างน่าพอใจ ตัวอย่างเช่นในช่วงความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้สเปกตรัมการแผ่รังสีของอะตอมไฮโดรเจนมีดังนี้:

มาดูกันว่าสามารถคำนวณความถี่ของแถบแสงที่สังเกตได้อย่างไร ตัวอย่างเช่นสีแดง

การใช้สมการแรกและแทน 2 และ 3 สำหรับ n ให้ผลลัพธ์ที่แสดงในแผนภาพ

กล่าวคือ:

สำหรับ n = 2, E ₂ = -5.45 x 10 ^-19 J

สำหรับ n = 3, E ₃ = -2.42 x 10 ^-19 J

จากนั้นเป็นไปได้ที่จะคำนวณความแตกต่างของพลังงานสำหรับสองระดับ:

ΔE = E ₃ - E ₂ = (-2.42 - (- 5.45)) x 10 ^{- 19} = 3.43 x 10 ^{- 19} J

ตามสมการที่อธิบายไว้ในสมมุติฐานที่สามΔE = h ν ดังนั้นคุณสามารถคำนวณν (ความถี่ของแสง):

ν = ΔE / ชม

กล่าวคือ:

ν = 3.43 x 10 ^–19 J / 6.63 x 10 ^-34 Js

ν = 4.56 x 10 ¹⁴ s ^-1หรือ 4.56 x 10 ¹⁴ Hz

เป็นλ = c / νและความเร็วแสง c = 3 x 10 ⁸ m / s ความยาวคลื่นจะได้รับจาก:

λ = 6.565 x 10 ^{- 7}ม. (656.5 นาโนเมตร)

นี่คือค่าความยาวคลื่นของแถบสีแดงที่สังเกตได้ในสเปกตรัมของเส้นไฮโดรเจน

ข้อ จำกัด หลัก 3 ประการของโมเดล Bohr

1- มันปรับให้เข้ากับสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน แต่ไม่เข้ากับสเปกตรัมของอะตอมอื่น

2- คุณสมบัติของคลื่นของอิเล็กตรอนไม่ได้แสดงในคำอธิบายว่าเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอม

3- บอร์ไม่สามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิกจึงใช้ไม่ได้กับแบบจำลองของเขา นั่นคือเหตุใดอิเล็กตรอนจึงไม่ปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่ออยู่ในวงโคจรที่หยุดนิ่ง

บทความที่น่าสนใจ

แบบจำลองอะตอมของSchrödinger

แบบจำลองอะตอมของ De Broglie

แบบจำลองอะตอมของ Chadwick

แบบจำลองอะตอมไฮเซนเบิร์ก

แบบจำลองอะตอมของ Perrin

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของดาลตัน

แบบจำลองอะตอมของ Dirac Jordan

แบบจำลองอะตอมของ Democritus

แบบจำลองอะตอมซอมเมอร์เฟลด์

อ้างอิง

1. สีน้ำตาล TL (2008). เคมี: วิทยาศาสตร์กลาง Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall
2. Eisberg, R. , & Resnick, R. (2009). ฟิสิกส์ควอนตัมของอะตอมโมเลกุลของแข็งนิวเคลียสและอนุภาค นิวยอร์ก: ไวลีย์
3. แบบจำลองอะตอมของบอร์ - ซอมเมอร์เฟลด์ กู้คืนจาก: fisquiweb.es
4. Joesten, M. (1991). โลกแห่งเคมี Philadelphia, Pa .: สำนักพิมพ์ Saunders College, pp.76-78
5. แบบจำลองของ Bohr de l'atome d'hydrogène สืบค้นจาก fr.khanacademy.org
6. Izlar, K. Rétrospective sur l'atome: le modèle de Bohr a cent ans. กู้คืนจาก: home.cern