في أوائل القرن العشرين ، قدم الفيزيائي الدنماركي نيلز بور العديد من المساهمات في النظرية الذرية وفيزياء الكم. ومن بين هذه النماذج نموذجه للذرة ، والذي كان نسخة محسنة من النموذج الذري السابق بواسطة إرنست رذرفورد. يُعرف هذا رسميًا باسم نموذج رذرفورد بور Rutherford-Bohr ، ولكن غالبًا ما يطلق عليه نموذج بورBohr لفترة قصيرة.
نموذج بور للذرة
احتوى نموذج رذرفورد على نواة مضغوطة موجبة الشحنة محاطة بسحابة منتشرة من الإلكترونات. أدى هذا بشكل طبيعي إلى نموذج كوكبي للذرة ، حيث تعمل النواة مثل الشمس والإلكترونات ككواكب في مدارات دائرية مثل النظام الشمسي المصغر.
كان الفشل الرئيسي لهذا النموذج هو أن الإلكترونات (على عكس الكواكب) لديها شحنة كهربائية غير صفرية وبالتالي ستشع طاقة أثناء دورانها حول النواة. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى سقوطهم في المركز ، مما يؤدي إلى إشعاع "مسحة" من الطاقات عبر الطيف الكهرومغناطيسي عند سقوطها. ولكن كان معروفًا أن للإلكترونات مدارات مستقرة ، وأن طاقاتها المشعة حدثت بكميات منفصلة تسمى الخطوط الطيفية.
كان نموذج بور امتدادًا لنموذج رذرفورد واحتوى على ثلاثة افتراضات:
الإلكترونات قادرة على التحرك في بعض المدارات الثابتة المنفصلة دون إشعاع الطاقة.
تحتوي هذه المدارات الخاصة على قيم زخم زاوي وهي مضاعفات عددية لثابت بلانك المختزل ħ (تسمى أحيانًا h-bar).
يمكن للإلكترونات أن تكتسب أو تفقد كميات محددة جدًا من الطاقة عن طريق القفز من مدار إلى آخر في خطوات منفصلة ، أو امتصاص أو إصدار إشعاع بتردد معين.
نموذج بور في ميكانيكا الكم
يوفر نموذج بور تقديرًا تقريبيًا جيدًا من الدرجة الأولى لمستويات الطاقة للذرات البسيطة مثل ذرة الهيدروجين.
يجب أن يكون الزخم الزاوي للإلكترون L = mvr = nħ ، حيث m هي كتلة الإلكترون ، و v سرعته ، و r نصف القطر الذي يدور حول النواة ، والعدد الكمي n هو عدد صحيح غير صفري. نظرًا لأن أدنى قيمة لـ n هي 1 ، فإن هذا يعطي أقل قيمة ممكنة لنصف القطر المداري. يُعرف هذا بنصف قطر بور ، ويبلغ حوالي 0.0529 نانومتر. لا يمكن أن يكون الإلكترون أقرب إلى النواة من نصف قطر بور ولا يزال في مدار مستقر.
توفر كل قيمة لـ n طاقة محددة في نصف قطر محدد يُعرف باسم غلاف الطاقة أو مستوى الطاقة. في هذه المدارات ، لا يشع الإلكترون طاقة وبالتالي لا يقع في النواة.
يتوافق نموذج بور مع الملاحظات التي أدت إلى نظرية الكم مثل التأثير الكهروضوئي لآينشتاين وموجات المادة ووجود الفوتونات (على الرغم من أن بور لم يؤمن بوجود الفوتونات).
كانت صيغة Rydberg معروفة تجريبياً قبل نموذج بور Bohr ، لكنها تناسب وصف Bohr للطاقات المرتبطة بالتحولات أو القفزات بين الحالات المتحمسة. الطاقة المرتبطة بانتقال مداري معين هي:
E = RE(1/nf2 – 1/ni2)
حيث RE هي ثابت Rydberg ، و nf و n هي قيم n للمدارات النهائية والمبدئية على التوالي.
عيوب نموذج بور
يعطي نموذج بور قيمة غير صحيحة للزخم الزاوي للحالة الأرضية (حالة الطاقة الأقل) ؛ يتنبأ نموذجها بقيمة ħ عندما يُعرف أن القيمة الحقيقية تساوي صفرًا. كما أن النموذج غير فعال في التنبؤ بمستويات الطاقة للذرات الكبيرة ، أو الذرات التي تحتوي على أكثر من إلكترون واحد. يكون أكثر دقة عند تطبيقه على ذرة الهيدروجين.
ينتهك النموذج مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج من حيث أنه يعتبر أن للإلكترونات مدارات ومواقع معروفة. وفقًا لمبدأ عدم اليقين ، لا يمكن معرفة هذين الأمرين في وقت واحد عن الجسيم الكمي.
هناك أيضًا تأثيرات كمومية لا يفسرها النموذج ، مثل تأثير زيمان ووجود بنية دقيقة وفائقة الدقة في الخطوط الطيفية.
نماذج أخرى من التركيب الذري
تم إنشاء نموذجين ذريين رئيسيين قبل نموذج بور. في نموذج دالتون ، كانت الذرة ببساطة وحدة أساسية للمادة. لم يتم النظر في الإلكترونات. كان نموذج بودنغ للذرة من طومسون امتدادًا لنموذج دالتون ، والذي يمثل الإلكترونات على أنها جزء لا يتجزأ من مادة صلبة مثل الزبيب في الحلوى.
جاء نموذج سحابة الإلكترون لشرودنجر بعد نموذج بور ومثل الإلكترونات على أنها غيوم كروية من الاحتمالية بأن تزداد الكثافة بالقرب من النواة.
أهم المصادر: