Teoria lui Bohr asupra atomului

O contribuție majoră la acest subiect a fost adusă de Niels Bohr din Danemarca, care a aplicat ipoteza cuantică la spectrele atomice în 1913. Spectrele de lumină emise de atomii gazoși fuseseră studiate pe larg încă de la mijlocul secolului al XIX-lea. S-a constatat că radiația emisă de atomii gazoși la presiune scăzută constă într-un set de lungimi de undă discrete. Acest lucru este foarte diferit de radiația emisă de un solid, care este distribuită pe o gamă continuă de lungimi de undă. Setul de lungimi de undă discrete provenite de la atomii gazoși este cunoscut sub numele de spectru de linii, deoarece radiația (lumina) emisă constă într-o serie de linii ascuțite. Lungimile de undă ale liniilor sunt caracteristice elementului și pot forma modele extrem de complexe. Cele mai simple spectre sunt cele ale hidrogenului atomic și ale atomilor alcalini (de exemplu, litiu, sodiu și potasiu). Pentru hidrogen, lungimile de undă λ sunt date de formula empirică în care m și n sunt numere întregi pozitive cu n > m, iar R∞, cunoscută sub numele de constanta Rydberg, are valoarea de 1,097373157 × 107 pe metru. Pentru o valoare dată a lui m, liniile pentru variația lui n formează o serie. Liniile pentru m = 1, seria Lyman, se află în partea ultravioletă a spectrului; cele pentru m = 2, seria Balmer, se află în spectrul vizibil; iar cele pentru m = 3, seria Paschen, se află în infraroșu.

Bohr a pornit de la un model sugerat de fizicianul britanic de origine neozeelandeză Ernest Rutherford. Modelul se baza pe experimentele lui Hans Geiger și Ernest Marsden, care în 1909 au bombardat atomi de aur cu particule alfa masive și rapide; când unele dintre aceste particule au fost deviate înapoi, Rutherford a concluzionat că atomul are un nucleu masiv și încărcat. În modelul lui Rutherford, atomul seamănă cu un sistem solar în miniatură, nucleul acționând ca Soarele, iar electronii ca planetele care circulă. Bohr a făcut trei ipoteze. În primul rând, el a postulat că, spre deosebire de mecanica clasică, unde este posibil un număr infinit de orbite, un electron se poate afla doar pe una dintre un set discret de orbite, pe care le-a numit stări staționare. În al doilea rând, el a postulat că singurele orbite permise sunt cele pentru care momentul unghiular al electronului este un număr întreg n ori ℏ (ℏ = h/2π). În al treilea rând, Bohr a presupus că legile de mișcare ale lui Newton, atât de reușite în calcularea traiectoriilor planetelor în jurul Soarelui, se aplică și în cazul electronilor care orbitează în jurul nucleului. Forța asupra electronului (analogul forței gravitaționale dintre Soare și o planetă) este atracția electrostatică dintre nucleul încărcat pozitiv și electronul încărcat negativ. Cu aceste ipoteze simple, el a arătat că energia orbitei are formaunde E0 este o constantă care poate fi exprimată printr-o combinație a constantelor cunoscute e, me și ℏ. În timp ce se află într-o stare staționară, atomul nu emite energie sub formă de lumină; cu toate acestea, atunci când un electron face o tranziție de la o stare cu energie En la una cu energie mai mică Em, un cuantum de energie este radiat cu frecvența ν, dată de ecuația Introducând expresia pentru En în această ecuație și folosind relația λν = c, unde c este viteza luminii, Bohr a derivat formula pentru lungimile de undă ale liniilor din spectrul hidrogenului, cu valoarea corectă a constantei Rydberg.

Teoria lui Bohr a fost un strălucit pas înainte. Cele două caracteristici cele mai importante ale sale au supraviețuit în mecanica cuantică din zilele noastre. Acestea sunt (1) existența stărilor staționare, care nu radiază și (2) relația dintre frecvența radiației și diferența de energie dintre starea inițială și cea finală într-o tranziție. Înainte de Bohr, fizicienii au crezut că frecvența de radiație ar fi aceeași cu frecvența de rotație a electronului pe o orbită.

.