- Caratteristiche principali
- È supportato da altri modelli e teorie dell'epoca
- Prove sperimentali
- Gli elettroni esistono nei livelli di energia
- Senza energia non c'è movimento dell'elettrone
- Numero di elettroni in ogni shell
- Gli elettroni ruotano su orbite circolari senza irradiare energia
- Orbite consentite
- Energia emessa o assorbita nei salti
- Il modello atomico di Bohr postula
- Primo postulato
- Secondo postulato
- Terzo postulato
- Diagramma del livello di energia per gli atomi di idrogeno
- I 3 principali limiti del modello di Bohr
- Articoli di interesse
- Riferimenti
Il modello atomico di Bohr è una rappresentazione dell'atomo proposta dal fisico danese Neils Bohr (1885-1962). Il modello stabilisce che l'elettrone viaggia in orbite a una distanza fissa attorno al nucleo atomico, descrivendo un movimento circolare uniforme. Le orbite - o livelli di energia, come le chiamava - sono di diversa energia.
Ogni volta che l'elettrone cambia la sua orbita, emette o assorbe energia in quantità fisse chiamate "quanti". Bohr ha spiegato lo spettro della luce emessa (o assorbita) dall'atomo di idrogeno. Quando un elettrone si sposta da un'orbita all'altra verso il nucleo si verifica una perdita di energia e viene emessa luce, con lunghezza d'onda ed energia caratteristiche.
Fonte: wikimedia.org. Autore: Sharon Bewick, Adrignola. Illustrazione del modello atomico di Bohr. Protone, orbita ed elettrone.
Bohr ha numerato i livelli di energia dell'elettrone, considerando che più l'elettrone è vicino al nucleo, più basso è il suo stato energetico. Quindi, più l'elettrone è lontano dal nucleo, il numero del livello di energia sarà maggiore e, quindi, lo stato energetico sarà maggiore.
Caratteristiche principali
Le caratteristiche del modello di Bohr sono importanti perché hanno determinato il percorso per lo sviluppo di un modello atomico più completo. I principali sono:
È supportato da altri modelli e teorie dell'epoca
Il modello di Bohr è stato il primo a incorporare la teoria quantistica, basata sul modello atomico di Rutherford e su idee tratte dall'effetto fotoelettrico di Albert Einstein. In effetti Einstein e Bohr erano amici.
Prove sperimentali
Secondo questo modello, gli atomi assorbono o emettono radiazioni solo quando gli elettroni saltano tra le orbite consentite. I fisici tedeschi James Franck e Gustav Hertz ottennero prove sperimentali per questi stati nel 1914.
Gli elettroni esistono nei livelli di energia
Gli elettroni circondano il nucleo ed esistono a determinati livelli di energia, che sono discreti e sono descritti in numeri quantici.
Il valore dell'energia di questi livelli esiste in funzione di un numero n, chiamato numero quantico principale, che può essere calcolato con equazioni che verranno descritte in dettaglio in seguito.
Senza energia non c'è movimento dell'elettrone
Fonte: wikimedia.org. Autore: Kurzon
L'illustrazione in alto mostra un elettrone che fa salti quantici.
Secondo questo modello, senza energia non c'è movimento dell'elettrone da un livello all'altro, così come senza energia non è possibile sollevare un oggetto caduto o separare due magneti.
Bohr ha suggerito il quantum come l'energia richiesta da un elettrone per passare da un livello all'altro. Ha anche stabilito che il livello di energia più basso che un elettrone occupa è chiamato "stato fondamentale". Lo "stato eccitato" è uno stato più instabile, il risultato del passaggio di un elettrone a un orbitale di energia superiore.
Numero di elettroni in ogni shell
Gli elettroni che si adattano a ciascun guscio sono calcolati con 2n 2
Gli elementi chimici che fanno parte della tavola periodica e che si trovano nella stessa colonna hanno gli stessi elettroni nell'ultimo guscio. Il numero di elettroni nei primi quattro strati sarebbe 2, 8, 18 e 32.
Gli elettroni ruotano su orbite circolari senza irradiare energia
Secondo il primo postulato di Bohr, gli elettroni descrivono orbite circolari attorno al nucleo dell'atomo senza irradiare energia.
Orbite consentite
Secondo il Secondo Postulato di Bohr, le uniche orbite consentite per un elettrone sono quelle per cui il momento angolare L dell'elettrone è un multiplo intero della costante di Planck. Matematicamente si esprime così:
Energia emessa o assorbita nei salti
Secondo il Terzo Postulato, gli elettroni emetterebbero o assorbirebbero energia con salti da un'orbita all'altra. Nel salto orbitale, viene emesso o assorbito un fotone, la cui energia è rappresentata matematicamente:
Il modello atomico di Bohr postula
Bohr ha continuato il modello planetario dell'atomo, secondo il quale gli elettroni ruotavano attorno a un nucleo caricato positivamente, proprio come i pianeti attorno al Sole.
Tuttavia, questo modello sfida uno dei postulati della fisica classica. Secondo questo, una particella con una carica elettrica (come l'elettrone) che si muove in un percorso circolare, dovrebbe perdere continuamente energia per emissione di radiazioni elettromagnetiche. Quando perde energia, l'elettrone dovrebbe seguire una spirale fino a quando non cade nel nucleo.
Bohr quindi ipotizzò che le leggi della fisica classica non fossero le più adatte per descrivere la stabilità osservata degli atomi e avanzò i seguenti tre postulati:
Primo postulato
L'elettrone gira intorno al nucleo in orbite che disegnano cerchi, senza irradiare energia. In queste orbite il momento angolare orbitale è costante.
Per gli elettroni di un atomo, sono consentite solo orbite di determinati raggi, corrispondenti a determinati livelli di energia definiti.
Secondo postulato
Non tutte le orbite sono possibili. Ma una volta che l'elettrone è in un'orbita consentita, si trova in uno stato di energia specifica e costante e non emette energia (orbita di energia stazionaria).
Ad esempio, nell'atomo di idrogeno le energie consentite per l'elettrone sono date dalla seguente equazione:
In questa equazione il valore -2,18 x 10 –18 è la costante di Rydberg per l'atomo di idrogeno e n = numero quantico può assumere valori da 1 a ∞.
Le energie degli elettroni di un atomo di idrogeno generate dall'equazione precedente sono negative per ciascuno dei valori di n. All'aumentare di n, l'energia è meno negativa e, quindi, aumenta.
Quando n è abbastanza grande, ad esempio n = ∞, l'energia è zero e rappresenta che l'elettrone è stato rilasciato e l'atomo ionizzato. Questo stato di energia zero ospita una maggiore energia rispetto agli stati di energia negativa.
Terzo postulato
Un elettrone può passare da un'orbita di energia stazionaria a un'altra mediante emissione o assorbimento di energia.
L'energia emessa o assorbita sarà uguale alla differenza di energia tra i due stati. Questa energia E ha la forma di un fotone ed è data dalla seguente equazione:
E = h ν
In questa equazione E è l'energia (assorbita o emessa), h è la costante di Planck (il suo valore è 6,63 x 10-34 joule-secondi) e ν è la frequenza della luce, la cui unità è 1 / s .
Diagramma del livello di energia per gli atomi di idrogeno
Il modello di Bohr è stato in grado di spiegare in modo soddisfacente lo spettro dell'atomo di idrogeno. Ad esempio, nell'intervallo di lunghezze d'onda della luce visibile, lo spettro di emissione dell'atomo di idrogeno è il seguente:
Vediamo come si può calcolare la frequenza di alcune delle bande di luce osservate; ad esempio, il colore rosso.
Utilizzando la prima equazione e sostituendo 2 e 3 per n, si ottengono i risultati mostrati nel diagramma.
Vale a dire:
Per n = 2, E 2 = -5,45 x 10 -19 J
Per n = 3, E 3 = -2.42 x 10 -19 J
È quindi possibile calcolare la differenza di energia per i due livelli:
AE = E 3 - E 2 = (-2.42 - (- 5,45)) x 10 - 19 = 3,43 x 10 - 19 J
Secondo l'equazione spiegata nel terzo postulato ΔE = h ν. Quindi, puoi calcolare ν (frequenza della luce):
ν = ΔE / h
Vale a dire:
ν = 3,43 x 10–19 J / 6,63 x 10-34 Js
ν = 4,56 x 10 14 s -1 o 4,56 x 10 14 Hz
Essendo λ = c / ν, e la velocità della luce c = 3 x 10 8 m / s, la lunghezza d'onda è data da:
λ = 6.565 x 10 - 7 m (656,5 nm)
Questo è il valore della lunghezza d'onda della banda rossa osservata nello spettro della riga dell'idrogeno.
I 3 principali limiti del modello di Bohr
1- Si adatta allo spettro dell'atomo di idrogeno ma non agli spettri di altri atomi.
2- Le proprietà ondulatorie dell'elettrone non sono rappresentate nella descrizione di esso come una piccola particella che ruota attorno al nucleo atomico.
3- Bohr non può spiegare perché l'elettromagnetismo classico non si applica al suo modello. Questo è il motivo per cui gli elettroni non emettono radiazioni elettromagnetiche quando sono in un'orbita stazionaria.
Articoli di interesse
Modello atomico di Schrödinger.
Modello atomico di De Broglie.
Il modello atomico di Chadwick.
Modello atomico di Heisenberg.
Il modello atomico di Perrin.
Il modello atomico di Thomson.
Il modello atomico di Dalton.
Modello atomico di Dirac Jordan.
Modello atomico di Democrito.
Modello atomico di Sommerfeld.
Riferimenti
- Brown, TL (2008). Chimica: la scienza centrale. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall
- Eisberg, R. e Resnick, R. (2009). Fisica quantistica di atomi, molecole, solidi, nuclei e particelle. New York: Wiley
- Modello atomico di Bohr-Sommerfeld. Estratto da: fisquiweb.es
- Joesten, M. (1991). Mondo della chimica. Philadelphia, Pennsylvania: Saunders College Publishing, pagine 76-78.
- Modello di Bohr de l'atome d'hydrogène. Recupero da fr.khanacademy.org
- Izlar, K. Rétrospective sur l'atome: le modèle de Bohr a cent ans. Estratto da: home.cern