background image

2.1: Modele atomu Thomsona i Rutherforda
2.2:  Model Rutherforda
2.3: Klasyczny Model Atomu
2.4: Model Bohra atomu wodoru
2.5: Liczby atomowe a rentgenowskie widma 

charakterystyczne

2.6:  Zasada korespondencji.
2.7:  Modyfikacje i ograniczenia modelu Bohra

Model Atomu Bohra

Przeciwie

ń

stwem stwierdzenia prawdziwego jest stwierdzenie fałszywe... 

Ale przeciwie

ń

stwem gł

ę

bokiej  prawdy mo

ż

e by

ć

 inna gł

ę

boka prawda.

Ekspert to osoba, która zrobiła wszystkie bł

ę

dy, które mog

ą

 by

ć

 

wykonane w bardzo w

ą

skiej dziedzinie.

Nigdy nie wyra

ż

aj si

ę

 ja

ś

niej, ni

ż

 jeste

ś

 w stanie my

ś

le

ć

.

Przewidywanie jest bardzo trudne, zwłaszcza na temat przyszło

ś

ci.

- Niels Bohr

Niels Bohr (1885-1962)

Cz

ęść

2

Przygotowanie Marek Szopa, na podstawie  Rick Trebino, Georgia Tech, www.physics.gatech.edu/frog/lectures

background image

Struktura atomu

W 1900 roku wiele wskazywało, 

ż

e atom 

nie

jest cz

ą

stk

ą

 elementarn

ą

:

1)

Wydawało si

ę

ż

e musi by

ć

 zbyt wiele rodzajów atomów, z 

których ka

ż

da nale

żą

cych tworzy pierwiastek chemiczny 

(wi

ę

cej ni

ż

 ziemia, powietrze, woda i ogie

ń

!).

2)

Atomy i zjawiska elektromagnetyczne były 

ś

ci

ś

le zwi

ą

zane 

(materiały magnetyczne, izolatory i przewodniki; ró

ż

ne 

widma emisyjne).

3)

Pierwiastki miały cechy wspólne z innymi, ale nie z 
wszystkimi, które wskazywały na wewn

ę

trzn

ą

 struktur

ę

 

atomów (warto

ś

ciowo

ść

).

4)

Odkrycia promieniotwórczo

ś

ci, promieni X oraz 

elektronów (wszystko wydawało si

ę

 wskazywa

ć

 

mo

ż

liwo

ść

 rozbicia wewn

ę

trznej struktury atomów).

background image

Wiedza o atomie w roku 1900

Elektrony (odkryte w 1897) 
nosz

ą

 ładunek ujemny.

Elektrony s

ą

 bardzo lekkie, 

nawet w porównaniu do atomu.

Protony nie zostały jeszcze 
odkryte, ale najwyra

ź

niej 

dodatni ładunek musiał by

ć

 

obecny dla uzyskania 
neutralno

ś

ci ładunkowej.

Prymitywny obraz atom

background image

W modelu Thomsona, gdy atom był ogrzewany, elektrony mogły 
wibrowa

ć

 wokół równowagi, tworz

ą

c w ten sposób promieniowanie 

elektromagnetyczne.
Niestety, modelem Thomsona nie mo

ż

na było wytłumaczy

ć

 widm 

atomów.

2.1: Model atomu 
Thomsona

Thomsona model „

ś

liwek w 

budyniu

” miał  równomiernie 

rozło

ż

ony w całym obszarze 

wielko

ś

ci atomu ładunek 

dodatni oraz elektrony 
osadzone w tym jednolitym 
tle.

background image

Eksperymenty Geigera i Marsdena

Rutherford, Geiger i Marsden
wykorzystali now

ą

 technik

ę

 

badania struktury materii przez 
rozpraszanie cz

ą

stek

α

na 

atomach.

Ź

ródło cz

ą

stek 

α

Płyta ołowiana

ekran

Mikroskop

Folia
metalowa

background image

Eksperymenty Geigera i Marsdena 2

Geiger wykazał, 

ż

e niektóre cz

ą

steczki

α

były rozpraszane przez 

cienk

ą

 złot

ą

 foli

ę

 wstecznie (pod k

ą

tem wi

ę

kszym ni

ż

 90°).

Rozpraszaj

ą

cy 

nukleon 

background image

Elektrony
nie mog

ą

 

rozprasza

ć

 

wstecznie
cz

ą

stek

αααα

Obliczymy maksymaln

ą

 kat rozpraszania 

- odpowiadaj

ą

cy maksymalnej zmianie p

ę

du.

Mo

ż

na wykaza

ć

ż

e maksymalny transfer 

p

ę

du do cz

ą

stek 

α

jest:

Wyznaczmy

θ

max

kiedy

p

max

jest prostopadłe do 

kierunku ruchu:

Przed

Po

2

v

max

e

p

m

α

=

2

v

0.016

v

e

max

p

m

p

M

α

α

α

α α

θ

=

=

=

°

O wiele za mało!

background image

Je

ś

li cz

ą

stka

α

jest rozpraszana przez N elektronów:

Rozpraszanie przez wiele elektronów

Odległo

ść

 pomi

ę

dzy atomami, 

d = n

-1/3

, jest:

N

= liczba atomów w poprzek cienkiej warstwy złota, 

= 6 × 10

−7

m

:

Ci

ą

gle za mały!

n =

N = t / d

calkowite

N

θ

θ

[

]

)

atomów/mol

Avogadro.(

 

Liczba

cm

atomów

 

Liczba

3

=

3

1

mol

g

gęstosć

masa atomowa

g

cm

 

×

23

3

atomów

1mol

g

6.02 10

19.3

mol

197g

cm

=

×

22

28

3

3

atomów

atomów

5.9 10

5.9 10

cm

m

=

×

=

×

28

1/3

-10

(5.9 10 )

m

2.6 10 m

d

=

×

=

×

-7

-10

6 10 m

2300 atomów

2.6 10 m

×

=

=

×

2300 (0.016 )

0.8

total

θ

=

° =

°

background image

nawet je

ś

li cz

ą

stka 

α

 jest rozproszona przez 

wszystkie 79 elektronów w 
ka

ż

dym atomie złota.

Wyniki eksperymentalne nie 
były zgodne z modelem atomu 
Thomsona. 

Rutherford zaproponował, 

ż

atom ma niewielki dodatnio 
naładowany rdze

ń

 (

j

ą

dro

otoczony ujemnymi 
elektronami.

Geiger and Marsden 
potwierdzili jego ide

ę

 w 1913.

2.2: Model Rutherforda

Ernest Rutherford 

(1871-1937)

6.8

total

θ

=

background image

2

2

2

0

1

v

4

e

e

m

F

r

r

πε

=

=

2.3: Klasyczny model atomu

Rozwa

ż

my atom jako układ planetarny.

2-gie prawo Newtona  zastosowane do 
przyci

ą

gania elektronu przez j

ą

dro daje

gdzie

v

jest pr

ę

dko

ś

ci

ą

 ruchu orbitalnego 

elektronu:

Całkowita energia jest wi

ę

c:

0

v

4

e

mr

πε

=

2

2

1

1

2

2

0

v

4

e

K

m

r

πε

=

=

Jest ujemna wi

ę

system jest zwi

ą

zany, 

tak jak powinno by

ć

A jednak…

2

2

2

0

0

0

8

4

8

e

e

e

E

K

V

r

r

r

πε

πε

πε

= + =

=

background image

Model planetarny jest niedobry

W/g klasycznej teorii elektromagnetyzmu, przyspieszony ładunek 
elektryczny promieniuje energi

ę

 (promieniowanie 

elektromagnetyczne), co oznacza, 

ż

e jego całkowita energia musi 

si

ę

 zmniejsza

ć

. Tak wi

ę

promie

ń

 r musi zmniejsza

ć

!

W 1900 roku za spraw

ą

 hipotezy Plancka dotycz

ą

cej kwantów 

promieniowania fizyka osi

ą

gn

ę

ła punkt zwrotny, wi

ę

c radykalne 

rozwi

ą

zania mogły by

ć

 uznane za mo

ż

liwe.

Elektron

spada na 

j

ą

dro!?

background image

2.4: Model Bohra atomu wodoru

Główne zało

ż

enia Bohra

1.

Elektrony w atomie s

ą

 w 

stanie stacjonarnym

w którym maj

ą

 dobrze zdefiniowane energie, E

n

których 

nie

wypromieniowuj

ą

. Pomi

ę

dzy stanami 

mo

ż

liwe s

ą

 przej

ś

cia, z wypromieniowaniem 

kwantów 

ś

wiatła o energii:

E

n

− E

n

h

ν

2. Klasyczne prawa fizyki nie maj

ą

 zastosowania do 

przej

ś

cia mi

ę

dzy stanami stacjonarnymi, ale maj

ą

 

zastosowania gdzie indziej

3. Moment p

ę

du

n-tego

stanu jest:

=

ħ

gdzie

n

nazywa si

ę

 główn

ą

 liczb

ą

 kwantow

ą

= 1

= 3

= 2

Moment 
p

ę

du jest 

skwantowany!

background image

Konsekwencje modelu Bohra

Moment p

ę

du jest:

n

r

m

L

=

=

v

0

v

4

e

mr

πε

=

mr

/

v

=

0

4

2

2

2

2

2

n

e

m r

mr

πε

=

Ale:

wi

ę

c:

Rozwi

ą

zuj

ą

c dla

r

n

:

2

0

n

r

n a

=

Wi

ę

c pr

ę

dko

ść

 wynosi:

0

0

4

2

2

a

me

πε

gdzie:

a

0

jest nazywane promieniem Bohra. Jest to 

ś

rednica atomu 

wodoru (dla najni

ż

szej energii, czyli w stanie podstawowym).

a

0

background image

Promieniem Bohra,

Promie

ń

 Bohra

0

0

4

2

2

a

me

πε

(

)(

)(

)

2

-34

2

-10

0

0

2

2

9

2

2

-31

-19

4

(1.055 10 J s)

0.53 10 m

8.99 10 N m /C

9.11 10 kg 1.6 10

a

me

C

πε

×

=

=

=

×

×

×

×

m

10

2

2

10

0

1

=

a

r

Ś

rednica atomu wodoru w stanie podstawowym jest:

Promie

ń

 atomu wodoru w stanie niewzbudzonym jest równy:

background image

Energie Atomu 
wodoru

Tak wi

ę

c energie stanów 

stacjonarnych s

ą

:

gdzie

E

0

= 13.6 eV

.

2

0

8

e

E

r

πε

= −

2

0

0

4

2

2

n

2

n

r

a n

me

πε

=

=

Klasyczna 
formuła dla 
energii:

oraz: 

E

n

E

0

/n

2

lub:

0

0

4

2

2

a

me

πε

2

0

0

2

0

2

8

8

n

a

e

r

e

E

n

n

πε

πε

=

=

background image

Atom wodoru

Emisja 

ś

wiatła wyst

ę

puje wtedy, gdy atom jest w stanie wzbudzonym i 

przechodzi do ni

ż

szego stanu energetycznego (

n

u

 n

).

u

h

E

E

ν

=

1

h

c

hc

ν

ν

λ

= =

=

R

jest

stał

ą

 Rydberga

.

gdzie

ν

jest cz

ę

sto

ś

ci

ą

 fotonu:

3

0

(4

)

4

2

me

R

c

π

ε

2

0

0

2

8

n

a

e

E

n

πε

=

2

2

1

1

u

u

E

E

R

hc

n

n

=

background image

Przej

ś

cia w 

atomie
wodoru

Atom pozostaje w stanie 

wzbudzonym przez 

krótki czas przed emisj

ą

 

fotonu i powrotem do 

ni

ż

szego stanu 

stacjonarnego. 

W równowadze, 

wszystkie atomy wodoru 

s

ą

 w stanie 

= 1

.

Seria 

Lymana

Seria 

Balmera

Seria 

Paschena

Energia wi

ą

zania

Energia

background image

Powłoki maj

ą

literowe nazwy:

dla

= 1

powłoka K

dla

= 2  

powłoka L

Atom jest najbardziej stabilny 
w stanie podstawowym

Elektrony z wy

ż

szych poziomów b

ę

d

ą

 uzupełniały wolne stany na 

ni

ż

szych powłokach

Kiedy takie przej

ś

cia maj

ą

 miejsce dla ci

ęż

kich atomów, powstałe 

promieniowanie jest typu X

Jego energia jest

(prom. X) = E

u

− E

.

2.5: Widma 
charakterystyczne 
w promieniach X oraz 
liczby atomowe

background image

2.6: Zasada
Korespondencji

W granicy, gdzie klasyczna i 
kwantowa teoria powinny by

ć

 

zgodne, teoria kwantowa musi 
przechodzi

ć

 w rezultat klasyczny.

Zasada korespondencji Bohra 
jest raczej oczywista:

background image

Dla du

ż

ych

n

:

Podstawiaj

ą

c za 

E

0

:

Zasada Korespondencji

Cz

ę

stotliwo

ś

ci promieniowania emitowanego 

ν

klasyczna

jest równa 

orbitalnej 

ν

orb

cz

ę

stotliwo

ś

ci elektronu wokół j

ą

dra.

Powinno si

ę

 to zgadza

ć

 z cz

ę

sto

ś

ci

ą

 przej

ś

cia pomi

ę

dzy 

stanami

+ 1

a

n

(kiedy

n

jest bardzo du

ż

e):

classical

ν

v /

2

2

klasyczna

orb

r

ω

ν

ν

π

π

=

=

=

0

4

2

2

n

2

n

r

me

πε

=

0

v

4

e

mr

πε

=

E

n

= h

ν

n

E

/n

2

1/ 2

2

4

3

2

3

3

0

0

1

1

2

4

4

e

me

mr

h n

π

πε

πε

=

=

+

=

2

2

0

)

1

(

1

1

n

n

h

E

Bohr

ν

+

+

=

+

+

+

=

2

2

0

2

2

2

2

0

)

1

(

1

2

)

1

(

1

2

n

n

n

h

E

n

n

n

n

n

h

E

3

0

4

0

2

2

hn

E

hn

nE

Bohr

=

ν

4

2

3

3

0

1

4

Bohr

klasyczna

me

h n

ν

ν

πε

=

=

4

0

2

2

0

8

me

E

h

πε

=

background image

Stała struktury subtelnej

Pr

ę

dko

ść

 elektronu w modelu atomu Bohra:

W stanie podstawowym,

v

1

= 2.2 × 10

6

m/s ~ 1% pr

ę

dko

ś

ci 

ś

wiatła.

Stosunek

v

1

do

c

jest stał

ą

 struktury subtelnej.

c

1

v

=

α

2

0

1

v

4

n

n

n

n

L

n

e

mr

mr

n

πε

=

=

=

137

1

4

0

2

0

=

=

c

e

c

ma

πε

background image

2.7: Modyfikacje i ograniczenia modelu 
atomu Bohra

Elektrony i j

ą

dro 

wodoru faktycznie 
kr

ążą

 wokół ich 

wzajemnego 

ś

rodka masy.

Masa elektronów jest zast

ą

piona 

ich mas

ą

 zredukowan

ą

:

Stała Rydberga dla niesko

ń

czonej masy j

ą

dra,

R

, mo

ż

e by

ć

 

zast

ą

piona przez 

R

.

Modyfikacja:

Ta modyfikacja zwi

ę

ksza 

dokładno

ść

 teorii!

M

m

m

M

m

M

m

e

e

e

e

e

+

=

+

=

1

µ

2

0

3

4

)

4

(

4

1

1

πε

π

µ

µ

c

e

R

M

m

R

m

R

e

e

e

e

=

+

=

=

Nukleon

Elektron

Ś

rodek masy

background image

Ograniczenia 
modelu Bohra

Opisuje tylko jednoelektronowy atom „wodoropodobny”

Nie mo

ż

na wyja

ś

ni

ć

 intensywno

ś

ci struktury subtelnej linii 

widmowych (np. w polu magnetycznym).

Nie mo

ż

e wyja

ś

ni

ć

 wi

ą

za

ń

 atomów tworz

ą

cych molekuły.

Ograniczenia:

Model Bohra był wielkim krokiem w 
nowej teorii kwantowej, ale miał swoje 
ograniczenia.