1913 年、ニールス ボーアは水素原子仮説を提唱しました。彼によると、それは陽子と中性子で構成される正に帯電した原子核であり、負に帯電した電子雲に囲まれています。モデルでは、電子は原子核の周りの原子殻に配置されています。正の原子核と負の周囲との間の静電相互作用が原子をまとめます。
水素エネルギーレベル
水素エネルギー準位の構造は、ボーアのモデルを使用して記述されます。最大エネルギーは 13.598eV のイオン化エネルギーであり、各準位のエネルギー量は eV で報告されます。
水素スペクトル
- スペクトルは、これらの異なるエネルギー レベル間を移動する電子によって生成されます。バルマー方程式は、可視光スペクトルに存在する 4 つの異なる水素波長を記述するために使用されます。波長はそれぞれ 656、484、434、410 nm です。
- 励起状態の電子がエネルギー準位 n=2 まで下がると、光子が放出されます。すべてのエネルギー レベル遷移について、Rydberg の式 (下記) は Balmer 級数を一般化します。 nf 2 の Rydberg 式を使用して、バルマー ラインを生成します。
- リュードベリの公式は、エネルギー準位間で発生するさまざまな遷移エネルギーを表しています。
- 電子が高いエネルギー準位から低いエネルギー準位に移動すると、光子が放出されます。遷移の最初と最後のエネルギー準位に応じて、水素原子は異なる波長の光を放出することができます。最終 (nf) と初期 (ni) のエネルギー レベルの 2 乗に等しいエネルギーを持つ光子を放出します。
ボーア半径
「e」、「m」、および「v」がそれぞれ電子の電荷、質量、および速度である場合、「r」は軌道の半径であり、Z は原子番号です。許可された軌道、
r =n2 xr1
ここで、「n」は主量子数、r1 は水素原子の最小許容半径で、0.53 Å の値を持つボーア半径として知られています。
- 電子が原子核の周りを特定の円軌道で移動するという非古典的な仮定は、ボーアの水素モデルを支えています。整数、量子数 n は、軌道を指定するために使用されます。エネルギーを放出または吸収することにより、電子はある軌道から次の軌道にジャンプできます。
- シェル内の電子の次のエネルギーは、ボーアのモデルを使用して計算されました:
- 水素スペクトルは、電子が光子を吸収および放出してエネルギー レベルを変更するという観点からボーアによって説明されました。ここで、光子エネルギーは eV で測定され、次のようになります。
注意
- 複数の電子を持つ系の場合、ボーアのモデルは失敗します。
重い原子のボーア モデル
- より重い原子の原子核は、水素原子の原子核より多くの陽子を持っています。これらすべての陽子の正電荷を打ち消すには、より多くの電子が必要でした。ボーアによれば、各電子軌道は一定量の電子しか保持できませんでした。レベルが満たされると、追加の電子が次のレベルに押し上げられます。
- より重い原子については、ボーア模型が電子殻を説明しました。このモデルは、これまで再現されたことのない重い原子の原子特性の一部を説明しました。
- たとえば、殻仮説は、原子が周期表の周期 (行) を移動するにつれて、より多くの陽子と電子を持っているにもかかわらず、原子が小さくなる理由を説明しました。
ボーア モデルの改良と改善
- Bohr-Sommerfeld モデルとしても知られる Sommerfeld モデルは、Bohr モデルの最も顕著な改良点でした。このモデルでは、電子は円軌道ではなく楕円軌道で原子核を周回します。ゾンマーフェルト モデルは、スペクトル線分裂のシュタルク効果を含む原子スペクトル効果をより適切に説明します。一方、磁気量子数はモデルに対応していませんでした。
ボーアのモデルの限界
- ボーア模型は、原子論の発展に向けた重要な一歩でした。ただし、いくつかの欠点があります。
- ハイゼンベルグの不確定性原理に反します。ボーア モデルは、電子が定義済みの半径と軌道を持っていることを前提としていますが、ハイゼンベルグはそれは不可能だと言っています。
- ボーア モデルのサイズは非常に制限されています。より大きな原子を扱う場合、不十分なスペクトル予測が生成されます。
- スペクトル線の相対強度を推定できません。
- 磁場の存在下でスペクトル線が多くの成分に分割されるときに発生するゼーマン効果は考慮されていません。
- 加速する電子が電磁放射を放出しないという事実は、ボーアのモデルでは無視されます。
結論
1913 年、ニールス ボーアは水素原子仮説を提唱しました。彼によると、それは陽子と中性子で構成される正に帯電した原子核であり、負に帯電した電子雲に囲まれています。モデルでは、電子は原子核の周りの原子殻に配置されています。正の原子核と負の周囲との間の静電相互作用は、原子を一緒に保持します。水素のエネルギー準位の構造は、ボーア模型を使用して記述されます。各シェルは、表示されているエネルギー レベルに対応しています。最大エネルギーは 13.598eV のイオン化エネルギーであり、各準位のエネルギー量は eV で報告されます。
