2023 Autor: Jake Johnson | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-05-24 23:12
Početkom veka, Rutherford je pokazao da se atom sastoji od malog i gustog jezgra, gde se nalaze protoni (pozitivna naelektrisanja) i jednak broj elektrona (negativnih naelektrisanja) koji naseljavaju periferiju. Otuda i običaj crtanja atoma kao male lopte okružene tačkama koje kruže oko njega.
Iako intuitivan i fin, svi su već znali da ovaj model nije sasvim pouzdan. Takav atom ne bi imao dug život, pošto bi elektroni zračili energiju u obliku elektromagnetnih talasa, kako nalaže klasična teorija.
U trenutku, elektroni bi kolabirali na jezgro i atom bi bio anihiliran. Kako se to srećom ne dešava (da je tako ne bismo bili ovdje i raspravljali o atomima), postalo je jasno da je „u Kraljevini Danskoj bilo nešto čudno“. I odatle je došao spasitelj zemlje, Niels Bohr, koji je izmislio novi model za atom vodonika, koji možemo nazvati Vodonik 1.0.
Vodonik je najjednostavniji atom koji postoji: njegovo jezgro ima samo jedan proton i postoji samo jedan elektron koji kruži oko ovog jezgra. Da bi objasnio evidentnu stabilnost atoma vodika i, uzgred, pojavu niza spektralnih linija tog elementa, Bohr je predložio neke hipoteze. Hipoteze znače tražiti od ljudi da neke prihvate kao istiniteizjave koje nisu dokazane, ali da su istinite, objasnile bi cijelu misteriju vodika.
A Borove hipoteze su sljedeće:
1) Elektron se okreće oko jezgra u kružnoj orbiti, poput satelita oko planete, ostajući u toj orbiti na poleđini privlačne električne sile između naboja suprotnih predznaka.
2) Kružna orbita elektrona ne može imati poluprečnik. Dozvoljene su samo neke vrijednosti za zrake orbita. Te vrijednosti su:
r =ao n2, gde je ao konstanta koja se zove Borov radijus, a n je ceo broj (1, 2, 3…).
Za znatiželjnike možemo predvidjeti da ao=h2 (4 2 m e2), gdje je h je Plankova konstanta, m je masa, a e je naboj elektrona.
Bohr je imao dobar izgovor da je smislio taj izraz, ali za nas to ostaje jednostavan čin vjere.
Drugim riječima, elektron može rotirati samo u orbitama čiji su zraci 1, 4, 9, 16, … puta Borov radijus. Cijeli broj identificira dozvoljenu orbitu.
3) U svakoj dozvoljenoj orbiti, elektron ima konstantnu i dobro definisanu energiju, datu sa:
E=E1 / n2,
gdje je E1 energija orbite minimalnog radijusa. Za znatiželjnike, opet ćemo reći da je Bohr dao formulu za E1:
E1=– 2 π2 m e4/ h2=– 13, 6 eV.
Primijetimo znak minus u ovoj formuli. Što je manji, to će orbita biti više unutrašnje (manji polumjer) i negativnija će biti energija elektrona. Fizičari koriste negativne energije da ukažu na "zatvor".
Zatvor je, objekat koji ima negativnu energiju je ograničen na datu oblast prostora. To je slučaj elektrona, ograničenog na dobro definisanu orbitu. Ako energija ostane pozitivna, elektron može slobodno izaći tamo, bez ikakvog ograničenja.
4) Sve dok je u jednoj od svojih dozvoljenih orbita, elektron niti emituje niti prima energiju. To je bio najodvažniji postulat jer je bio u suprotnosti sa zapovijedima klasične elektromagnetske teorije. Bohr nije imao argumenata da pokaže da je ovaj postulat tačan, osim očiglednog dokaza da se elektron zapravo nije srušio na jezgro.
Istorija je pokazala da je Bohr bio u pravu i godinama kasnije kvantna mehanika je objasnila zašto
5) Kada elektron promijeni orbitu, atom emituje ili apsorbira "kvant" svjetlosne energije. "Kvant", kao što već znamo, je paket energije koji je Planck predvideo.
Ovu petu hipotezu ćemo detaljno objasniti jer iz nje proizlazi prvo uvjerljivo objašnjenje za porijeklo linija vodonikovog spektra.
Energija orbite minimalnog radijusa (r1=a0) je E1. Njegova vrijednost je -13,6 elektrona – Volt (eV), jedinica za energiju koju široko koriste spektrokopisti. Sledeća orbita odpoluprečnik r2=4 do0, ima energiju E2=-13, 6 / 4=- 3, 4 eV. Sljedeća ima energiju E3=-13,6 / 9=-1,5 eV i tako dalje.
Na slici vidimo grafikon koji predstavlja ovu skalu "dozvoljenih" energija. Najniži nivo, sa energijom -13,6 eV, naziva se osnovni nivo. Ostalo su uzbuđeni nivoi.
Pretpostavimo da je elektron na pobuđenoj strani E3 i prelazi u drugo pobuđeno stanje E2. U ovom procesu energija atoma opada sa -1,5 – (3, 4)=1,9 eV. Gdje onda ide ta energetska razlika? Emituje ga atom u obliku "kvanta" svjetlosti, ili "fotona". U slučaju tog fotona, sa tom energijom, on ima tačno frekvenciju crvene linije vodonikovog spektra.
Ostale dvije linije Balmerove serije odgovaraju “deekscitacijama” od nivoa n=4, 5 i 6 do nivoa n=2.
Limanova serija, u ultraljubičastom, odgovara deekscitacijama nivoa n=2, 3, itd. do osnovnog nivoa, n=1. Paschenova serija, u infracrvenom spektru, odgovara deekscitacijama do nivoa n=3.
Iz te hipoteze, Bohr je došao do Rydbergove formule. Hajde da vidimo kako je, prema Boru, energija nivoa data sa E =E1 / n 2 . Razlika između energija, kada elektron pređe sa početnog nivoa na konačni nivo nf, će stoga biti:
E=Ef – Ei=E1 / n f2 – E1 /ni2.
Dakle, Planck je rekao da je E=hf=hc λ. Zatim zamjenom E u prikazanoj formuli dobijamo:
gde je RH=E1 / hc je Rydbergova konstanta. Gotovo, Rydbergova formula za vodonikove linije je objašnjena Bohrovim modelom.
Kako god bilo lijepo, Borov atom još uvijek nije bio zadovoljavajući. Postulati su doveli do rezultata koji odgovaraju eksperimentalnim podacima, ali mnoge stvari su bile forsirane kroz hipoteze, bez daljnjeg opravdanja.
Pored ovoga, bilo je malih odstupanja u spektru vodonika koja nisu objašnjena modelom. I bio je beskoristan za atome drugih elemenata, osim vodonika.
Deceniju kasnije, sva ova ograničenja su riješena naprednijim modelom, koji potiče iz kvantne mehanike. Ovaj model objašnjava sve što se eksperimentalno opaža u spektrima ne samo vodonika već i bilo kojeg drugog elementa ili spoja. To je vrlo uspješan model, ali ovu priču ćemo ostaviti za buduće članke.
