Download
1 / 19
E N D
Modele atomice Zamfir Ruben
Modelul Planetar • Un model atomic bazat pe echilibrul dinamic al sarcinilor este analog sistemului solar in care fortele centrifuge echilibreaaza fortele de atractie gravitationala. Atomul are o parte centrala numita nucleu, incarcata pozitiv, in jurul careia se rotesc electronii. Deci sarcinile sunt separate spatial. Concordanta modelului planetar atomic cu experienta este foarte buna. E. Rutherford a fost capabil sa calculeze care va fi numarul de particule a deviate sub un unghi dat si a dedus din datele experimentale ca partea centrala pozitiva se intinde pe o zona cu dimensiunea de 10-13 - 10-12 cm. Comparand cu dimensiunea unui atom ~10- 8 cm., tragem concluzia ca el este mai mult gol decat plin. In acest fel, modelul planetar propus inca din 1901 de J. Perrin a fost definit acceptat ca urmarea experientelor lui E. Rutherford. Ca si in cazul modelului Thomson ramane de explicat motivul pt. care sarcinile pozitive din nucleu nu se desfac. Pt. a analiza conditia de stabilitate ne vom referi la atomul cel mai simplu, care contine un singur electron si a carui nucleu are o sarcina electrica pozitiva, egala cu e. Acest nucleu a fost numit proton (E. Rutherford, 1920), iar atomul este hidrogenul. Electronul se va misca in jurul protonului cu o traiectorie circulara astfel ca forta centrifuga sa fie egala cu cea electrostatica de atractie
Modelul Planetar • unde m este masa electronului, v viteza lui pe orbita, R distanta electron-nucleu, iar K=9*10^9, lucrand in S.I. Energia electronului care se misca pe aceasta orbita va fi egala cu suma energiilor cinetica si potentiala:
Pot fi trase urmatoarele concluzii: • 1.Energia totala este negativa, ceea ce inseamna ca pe masura ce raza creste, energia totala va creste si tinde spre zero cand raza tinde la infinit. Orbitele de energie mica vor fi cele cu raza mica, deci cele apropiate de nucleu. Daca electronul va primi energie, el se va indeparta de nucleu si invers. • 2.Energia totala a electronului este in acest caz egala cu jumatate din energia potentiala in campul electrostatic al nucleului. • 3.Expresia de mai sus are caracterul unei functii care leaga energia totala a electronului de raza traiectoriei circulare. Rezulta de aici a unei raze date ii corespunde o singura valoare pentru energie. In consecinta, in functie de energia electronului sunt permise toate orbitele.
Stabilitatea sistemului planetar este asigurata daca se pastreaza constanta raza traiectoriei electronului. Din pacate, in electrodinamica se arata ca orice sarcina electrica care se misca accelerat trebuie sa emita radiatie electromagnetica, micsorandu-se astfel energia de miscare a sarcinii. Cu toate ca in miscarea pe orbita circulara viteza electronului este constanta, ea va varia totusi ca directie, dand nastere astfel unei acceleratii centripete egala cu e*e/R. In urma emisiei acestei radiatii, energia electroului se va micsora, raza traiectoriei se va micsora si ea la randul ei rapid, urmand ca in final electronul sa cada pe nucleu. Aceasta ar duce la concluzia ca atomul ar fi un sistem instabil si ca, in plus, ar emite in continuu radiatii, chiar in stare normala, ceea ce contravine experientei.
ModelulRutherford • Modelul a fost dezvoltat în urma experimentelor realizate de către Hans Geiger şi Ernest Marsden în anul 1909. Ei au studiat, sub îndrumarea lui Ernest Rutherford, împrăştierea particulelor α la trecerea printr-o foiţă subţire din aur. Conform modelului atomic elaborat de Thomson, particulele trebuiau să fie deviate cu câteva grade la trecerea prin metal din cauza forţelor electrostatice. S-a constatat, însă, că unele dintre ele erau deviate cu unghiuri mai mari decât 90° sau chiar cu 180°. Aceast fapt a fost explicat prin existenţa unei neuniformităţi a distribuţiei de sarcină electrică în interiorul atomului. Pe baza observaţiilor efectuate, Rutherford a propus un nou model în care sarcina pozitivă era concentrată în centrul atomului, iar electronii orbitau în jurul acesteia. • Noul model introducea noţiunea de nucleu, fără a-l numi astfel. Rutherford se referea, în lucrarea sa din 1911, la o concentrare a sarcinii electrice pozitive: • "Se consideră trecerea unei particule de mare viteză printr-un atom având o sarcină pozitivă centrală N e, compensată de sarcina a N electroni."
El a estimat, din considerente energetice, că, pentru atomul de aur, aceasta ar avea o rază de cel mult 3.4 x 10-14 metri (valoarea actuală este egală cu aproximativ o cincime din aceasta). Mărimea razei atomului de aur era estimată la 10-10 metri, de aproape 3000 de ori mai mare decât cea a nucleului. • Rutherford a presupus că mărimea sarcinii pozitive ar fi proporţională cu masa atomică exprimată în unităţi atomice, având jumătate din valoarea acesteia. A obţinut pentru aur o masă atomică de 196 (faţă de 197, valoarea actuală). El nu a făcut corelaţia cu numărul atomic Z, estimând valoarea sarcinii la 98 e, faţă de 79, unde e reprezintă sarcina electronului. • Modelul propus de Rutherford descrie nucleul, dar nu atribuie nici o structură orbitelor electronilor. Totuşi, în lucrare este menţionat modelul saturnian al lui Hantaro Nagaoka, în care electronii sunt aranjaţi pe inele.
Deficienţe ale modelului • Principalul neajuns al modelului consta în faptul că acesta nu explica stabilitatea atomului. Fiind elaborat în concordanţă cu teoriile clasice, presupunea că electronii aflaţi în mişcare circulară, deci accelerată, emit constant radiaţie electromagnetică pierzând energie. Prin urmare, în timp, electronii nu ar mai avea suficientă energie pentru a se menţine pe orbită şi ar "cădea" pe nucleu. • De asemenea, frecvenţa radiaţiei emise ar fi trebuit să ia orice valoare, în funcţie de frecvenţa electronilor din atom, fapt infirmat de studiile experimentale asupra seriilor spectrale.
Importanţă • Modelul lui Rutherford a introdus ideea unei structuri a atomului şi a existenţei unor particule componente, precum şi posibilitatea separării acestora. Reprezentând punctul de plecare al modelului Bohr, a dus la separarea a două domenii, fizica nucleară, ce studiază nucleul, şi fizica atomului, ce studiază structura electronică a atomului. • În ciuda deficienţelor, caracterul descriptiv al modelului a permis utilizarea ca simbol al atomului şi energiei atomice.
Modelul Bohr • Laureat al premiului Nobel, Niels Bohr este unul dintre fizicienii de frunte ai secolului al XX-lea. Avansând idei revoluţionare, ce contraziceau principiile fizicii începutului de secol XX, acesta a "reproiectat" atomul, introducând orbitele fixe ca regulă imuabilă pentru mişcarea electronilor şi niveluri fixe de energie pentru aceştia. • Niels Bohr (1885-1962) este unul dintre fizicienii cei mai importanţi ai secolului al XX-lea, cu realizări excepţionale în înţelegerea mecanismelor atomului şi unul dintre fondatorii mecanicii cuantice. Lui Bohr i-a fost decernat premiul Nobel pentru progresele realizate în domeniul structurii atomului şi a radiaţiei emise de acesta. Principiul complementarităţii al lui Bohr, prezentat pentru prima oară în 1927, este unul dintre comandamentele fundamentale ale Interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice.
De la modelul atomic al lui Ernest Rutherford la atomul lui Bohr • Fizicianul danez Niels Bohr, folosindu-se de noile teorii referitoare la capacitatea atomului de a emite radiaţii, pornind de la modelul atomic al lui Rutherford, a "redesenat" în 1913 structura atomică. Fizicienii secolului al XIX-lea au descoperit că atunci când un gaz este expus unui câmp electric, gazul emite lumină, deci radiaţii electromagnetice. Dar această emisie are loc numai la anumite frecvenţe, iar diferite elemente şi compuşi chimici emit radiaţii de diferite lungimi de undă. • Aşadar, spectrul de emisie al atomilor şi al substanţelor diferă. Astfel, după cum uşor se poate înţelege, atomii diferitelor elemente ori diferite substanţe pot fi determinate pe baza lungimii de undă a radiaţiei emise, altfel spus pe baza liniilor spectrale. Chiar şi corpuri îndepărtate, cum ar fi stelele, pot fi înţelese sub aspectul elementelor constituente, determinând spectrul de emisie al acestora
Având ca punct de plecare atomul lui Rutherford (Bohr şi Rutherford au lucrat împreună pentru a înţelege radiaţia atomului), Bohr a dezvoltat o teorie prin care se putea prezice lungimea de undă a radiaţiei atomului. Teoria lui Bohr a fost deosebit de îndrăzneaţă, fundamentându-se pe câteva ipoteze ce au revoluţionat modul de înţelegere a atomului, deşi erau privite cu suspiciune de fizicienii vremii:- atomii emit radiaţie numai la anumite frecvenţe (frecvenţe discrete);- electronii pot orbita numai la anumite distanţe de nucleu, intrând în contradicţie cu modelul atomic al lui Rutherford care lăsa libertate de mişcare absolută electronilor;- radiaţia poate fi emisă numai când un electron face un "salt" dintr-o stare staţionară într-alta (de pe o orbită superioară pe una inferioară). În 1914 fizicienii James Franck şi Gustav Hertz au dovedit experimental că atomii absorb şi emit radiaţie numai atunci când electronii realizează saltul dintre stările staţionare (orbite).
Pentru a susţine aceste ipoteze, Niels Bohr a postulat că la scară atomică anumite stări staţionare (orbite) erau stabile , iar electronii aflaţi pe aceste niveluri stabile nu emit radiaţie (Bohr nu a putut justifica de ce se întâmplă astfel). • Bohr şi atomul de hidrogen • Atomul lui Bohr are următoarele trăsături definitorii:- electronii se mişcă în jurul nucleului în orbite fixe (stări staţionare);- electronul poate absorbi energie şi astfel face un salt pe o altă stare staţionară (orbită) cu un nivel superior de energie;- electronul poate cădea în starea staţionară originală emiţând în acest caz radiaţie electromagnetică (fotoni);- electronul poate avea numai anumite niveluri de energie.
Prin stabilirea unor orbite ferme pe care electronii se pot situa în mişcarea lor în jurul nucleului atomic, Bohr a putut explica foarte bine lungimile de undă discrete (cu valori fixe) ale radiaţiei emise de atomul de hidrogen. Radiaţia se manifestă, a susţinut Bohr, doar când un electron al hidrogenului face saltul de la o stare staţionară (orbită) superioară, la una mai aproape de nucleu. Energia pierdută de electron este exact aceeaşi cu energia cuantelor de lumină.
Caracteristicile fundamentale al modelului atomic creat de Niels Bohr
Ce a "supravieţuit" din modelul atomic al lui Bohr? • Deşi ideile lui Niels Bohr privitoare la mecanismele atomului au fost revoluţionare, nu toate s-au dovedit perene, fiind invalidate de cercetări ulterioare. Două sunt însă conceptele care au "supravieţuit" progreselor fizicii secolului al XX-lea: (1) existenţa unor stări staţionare fundamentale ale electronilor (orbite în care electronul nu radiază);(2) relaţia dintre frecvenţa radiaţiei electronului şi diferenţa de energie dintre stările iniţiale şi finale ale electronului.
Modelul Thomson • Modelul Thomson este un model clasic care presupune că atomul e alcătuit din electroni dispuşi în interiorul unei sfere cu raza de ordinul 10-10m, încărcate uniform cu o sarcină pozitivă. Modelul este denumit şi "cozonacul cu stafide" datorită asemănarii dintre dispunerea particulelor negative în norul de sarcină pozitivă şi a stafidelor în aluat. A fost propus de către J.J. Thomson în anul 1906, înainte de descoperirea nucleului atomic. El presupunea că electronii oscilează în jurul unei poziţii de echilibru atunci când li se comunică energie, atomul emiţând radiaţii de diverse frecvenţe.
Deficienţe ale modelului • Una dintre deficienţele modelului consta în faptul că frecvenţa radiaţiei emise putea avea orice valoare, lucru infirmat de seriile spectrale descoperite experimental. • În 1909, experimentele lui Geiger şi Marsden pun în evidenţă împrăştierea particulelor la trecerea printr-o foiţă metalică, fenomen ce nu putea fi explicat pe baza modelului Thomson. Ernest Rutherford a intuit că sarcina pozitivă este concentrată într-un volum mic în interiorul atomului. El a elaborat un model planetar care considera că atomul este format dintr-un nucleu pozitiv de rază 10-14÷10-15m în jurul căruia se rotesc electronii, pe orbite circulare.
