Строение атома по Бору и его постулаты

Опыты по изучению атомных спектров показали несовершенство планетарной модели строения атома, поскольку эта модель противоречит линейчатой структуре атомных спектров. На основании модели Резерфорда, учении Энштейна о световых квантах и квантовой теории излучения планка Нильс Бор (1913) сформулировал постулаты, в которых заключается теория строения атома (рис. 2): электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по некоторым определенным орбитам (стационарным), двигаясь по такой орбите он не излучает электромагнитной энергии, излучение (поглощение или испускание кванта электромагнитной энергии) происходит при переходе (скачкообразном) электрона с одной орбиты на другую.

Накопленный экспериментальный материал, характеризующий строение атома, показал, что свойства электронов, а также других микрообъектов не могут быть описаны на основе представлений классической механики. Микрочастицы подчиняются законам квантовой механики, которая стала основой для создания современной модели строения атома.

 

Пространство вблизи ядра, в котором достаточно велика вероятность нахождения электрона (90%), называется орбиталью.

Постулаты Бора — основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода и водородоподобных ионов (формула Бальмера-Ридберга) и квантового характера испускания и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда.

Первый постулат Бора: атомная система может находиться только в особых стационарных, либо квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует некоторая энергия En; в стационарном состоянии атом не излучает энергию.

Этот постулат является противоречием классической механике, согласно которой энергия движущихся электронов может быть любой. Также он является противоречием и электродинамике Максвелла, т.к. предполагает возможность ускоренного движения электронов не излучая электромагнитных волн.

Второй постулат Бора: излучение света случается в процессе перехода атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En. Энергия излученного фотона равняется разности энергий стационарных состояний:

Таким образом, можно вычислить частоту излучения:

Поглощая свет, атом переходит из стационарного состояния с меньшим количеством энергии в стационарное состояние с большим количеством энергии.

Дисперсия возникает в результате взаимодействия световых (электромагнитных) волн с веществом. Молекулярно-кинетическая теория говорит о том, что все вещества состоят из молекул и атомов. Атом имеет сложное строение. В 1911 г. Резерфорд предложил ядерную модель атома. По Резерфорду атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжёлое положительное ядро с зарядом ze, имеющее размеры не превышающие 10-12см, а вокруг ядра расположены z электронов, распределённых по всему объёму, занимаемому атомом. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре (e - элементарный заряд).

 

Ядерная модель атома в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась неспособной объяснить ни устойчивость атома, ни характер линейчатого спектра атома. Выход был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором. Допущения, сделанные бором, содержаться в трёх высказанных им постулатах. Бор исходил из того опытного факта, что атомы отдают излучение в виде порций:

причём набор возможных значений εi (или νi) образует не непрерывную последовательность, но дискретный ряд. Отсюда был сделан вывод, что энергия атомов не может меняться непрерывно. Возможные состояния атома образуют дискретную последовательность, и энергии атома в этих состояниях образуют дискретный ряд

 

E1, E2, ………, Ej,…… (81)

 

Первый постулат Бора (постулат стационарных соотношений): существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергии. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определённые (стационарные) орбиты, по которым движутся электроны. При движении по стационарным орбитам электроны не излучают электромагнитных волн.

 

Второй постулат Бора (правило квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию

 

mvr = n, (82)

 

где n = 1, 2, 3…

 

Здесь m - масса электрона, v - скорость электрона, r - радиус его орбиты,, h - постоянная Планка (h = 6,67 · 10-34Дж · с).

 

Третий постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии. Излучение происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (при переходе электрона с орбиты, более удалённой от ядра, на более ближнюю к ядру орбиту). Поглощение энергии сопровождается переходом атома в состояние с большей энергией. Этому соответствует переход электрона на более удалённую от ядра орбиту. Правило частот можно записать, если Ej и Ei и - энергии атома в 2-х стационарных состояниях:

 

Ej - Ei = hνji (83)

 

При Ej>Ei происходит излучение кванта, при Ej<Ei - его поглощение.

 

Постулаты Бора позволили объяснить устойчивость атомов и линейчатый спектр простейшего атома водорода, который состоит в видимой части из четырёх линий: красной, голубой, синей, фиолетовой. Каждая линия соответствует энергетическому переходу атома в следующем порядке (см. рис. 29):

 

E3 - E2 = hν3→2; E4 – E2 = hν4→2;

 

E5 - E2 = hν5→2; E6 - E2 = hν6→2