ラザフォードの原子の惑星モデルは、デンマークの著名な物理学者であるニールス ボーア (1885–1962) によってすぐに採用されました。ボーアはその信憑性を確信し、1912 年にラザフォードの研究室で 1 年間過ごしました。彼は、コペンハーゲンに戻った後、1913 年に原子の惑星モデルに基づいて、最も単純な原子である水素のアイデアを発表し始めました。何十年もの間、原子の特性に関する多くの疑問が投げかけられてきました。サイズからスペクトルまで、原子については多くのことが知られていましたが、物理法則に関してはほとんど説明されていませんでした。ボーアの水素原子モデルは、水素の原子スペクトルを明らかにし、広く適用可能な新しい量子力学の原理を作成しました。
水素のボーアの解
基礎物理学、原子の惑星モデル、およびいくつかの非常に重要な新しい提案を使用して、ボーアは水素スペクトルの式を確立しました。彼の最初の提案は、特定の軌道のみが許可されるというものです。原子内の電子軌道を量子化されたものと呼びます。各軌道には異なるエネルギーがあり、電子はエネルギーを吸収してより高い軌道に移動したり、エネルギーを放出してより低い軌道に落ちたりすることができます。吸収または放出されたエネルギーは、軌道のときに量子化され、離散スペクトルが得られます。
エネルギーが原子に出入りする主なメカニズムは、光子の吸収と放出です。光子のエネルギーは量子化され、そのエネルギーは、ある軌道から次の軌道に移動する際の電子のエネルギーの変化として計算されます。 ΔE =hf =Ei – Ef と数式で表します。
5 つの同心リングは、原子のボーアの対応原理惑星モデルの軌道を表しています。最も内側の円から最も外側の円に向かって、円の半径が大きくなります。ラベル E サブ 1、E サブ 2、および E サブまで、I は円にマークされています。
電子の軌道は、原子のボーア修正惑星モデルで量子化されます。限られた数の軌道のみが許可され、原子スペクトルが離散 (量子化) されている理由を説明しています。光子によって原子から奪われたエネルギーは量子化され、1 つの許容軌道から落下する電子に由来します。原子レベルでの光子吸収についても同様です。
開始軌道と最終軌道のエネルギー差は ΔE であり、吸収または放出された光子のエネルギーは hf です。エネルギーは軌道のシフトに関与しており、これは合理的です (私たちの日常の経験から予測されます)。たとえば、スペースシャトルがより高い軌道に上がるためには、エネルギーの爆発が必要です。一方、原子軌道の量子化は期待されていません。一方、十分なエネルギーがあれば、衛星や惑星は軌道を持つことができます。
ボーア模型における電子の性質
ボーアは 1913 年に、電子は特定の古典的な方法でしか移動できないと提案しました:
- 原子電子は原子核を周回します。
- 原子核から一定範囲の距離にある特定の軌道 (ボーアによって「静止軌道」と名付けられた) のみが、電子が放射することなく安定して軌道を回ることができます。これらの軌道は、エネルギー シェルまたはエネルギー レベルとも呼ばれ、特定のエネルギーに関連付けられています。これらの軌道での電子の加速は、古典的な電磁気理論で要求されるように、放射やエネルギー損失を引き起こしません。
- 電子は、許可されたある軌道から別の軌道にジャンプし、プランクの関係に従って、レベル間のエネルギー差によって設定された周波数 (v) で電磁放射を吸収または付与することによってのみ、エネルギーを獲得または喪失できます。
ボーア理論の勝利と限界
ボーアが達成したことを誰も達成できませんでした。彼は水素スペクトルを説明しただけでなく、単純な物理学を使用して原子のサイズを適切に計算しました。彼のコンセプトのいくつかは、幅広い状況に適用できます。すべての原子と分子は量子化された電子軌道エネルギーを持っています。電子は、従来の通念によって期待されるように原子核に流れません。これらは重要な成果です。
しかし、ボーアの水素原子モデルには限界があります。 2 つの電子を持つヘリウム原子のように単純な場合でも、多電子原子には使用できません。ボーアが提案したモデルは半古典的モデルに分類されます。軌道は量子化されていますが (非古典的)、基本的な円形軌道が想定されています (古典的)。量子力学が進歩するにつれて、明確に定義された軌道ではなく、確率の雲があることが明らかになりました。ボーアの仮説理論によると、注意深く見ると、一部のスペクトル線はダブレット (2 つに分割) になります。ボーアは、その後のすべての原子物理学の基礎を築き、知識を追求するために重要な一歩を踏み出しました。
結論
水素様原子は、正に帯電した原子核と、原子核の周りの安定した円軌道にある電子で構成されています。水素原子のボーア理論モデルは、最近開発された量子理論からのアイデアを組み込むことにより、ラザフォードのモデルによって特定されたいくつかのギャップを埋めることを目指しています。ボーアは、原子内の電子が放射エネルギーを生成することなく安定した軌道を周回する可能性があると提案しました.
