Kurs: F0005T Förkunskaper: Bohrs modell för väteatomen


Bohrs modell fungerar för varje system med en enda elektron — , och så vidare — om byts mot . Den fungerar approximativt också för alkalimetallernas yttersta valenselektron, som ser en effektiv kärnladdning nära ett eftersom de inre elektronerna skärmar kärnan, och bäst av allt för Rydbergatomer i mycket höga . Här slutar modellen: Bohr blandar partikel- och vågbeskrivning av elektronen, och atomer med fler än en elektron kräver kvantmekanik.

Fysika: Fd3 (i formen E_n = −E_H Z²/n²)


Formeln, symbol för symbol

Kärnladdningen gör attraktionen gånger starkare. Banan dras in med en faktor och bindningen blir gånger starkare, medan resten av Bohrs modell är oförändrad.


1. En elektron kring protoner

Ett väteliknande system har en enda elektron kring en kärna med laddningen . Det enda som ändras i Bohrs modell för väteatomen är Coulombkraften, som blir gånger starkare:

Kvantiseringsvillkoret är oförändrat. Samma räkning som för väte, med utbytt mot , ger

Fysika: Fd3 (banradie r_n = a₀n²/Z)

Energin i rutan överst innehåller och växer därför med . I elektronvolt:

Fysika: Te (E_H)

Den större kärnladdningen drar alltså in banan med en faktor och gör bindningen gånger starkare.


2. Spektrum och jämförelse med väte

Eftersom alla nivåer skalas med gör även Rydbergkonstanten det, och Rydbergs formel blir

eV eV eV
eV eV eV
eV eV eV
eV eV eV

I har nivå samma energi som vätets nivå , eftersom . Varje övergång mellan två jämna nivåer i ger därför nästan samma linje som en vätelinje, medan övergångar som berör en udda nivå inte har någon motsvarighet i väte. Den lilla skillnaden, runt , kommer av att kärnorna har olika reducerad massa.


3. Alkalimetaller och effektiv kärnladdning

En alkaliatom har en ensam valenselektron utanför en kärna omgiven av fyllda inre skal. Kärnan och de inre elektronerna har tillsammans laddningen , så långt ute ser valenselektronen nästan en vätekärna. Hur väl det stämmer beskrivs av en effektiv kärnladdning , definierad så att den uppmätta energin följer vätets form:

I högt exciterade nivåer, där elektronen håller sig långt utanför de inre skalen, är . I de lägsta nivåerna tränger elektronen delvis in genom skalen och känner mer av kärnan, så . Natrium, med valenselektronen i och joniseringsenergin eV, har till exempel .

Vänster: grundtillståndet i , och i skala. Banan krymper som och bindningen växer som . Höger: natriums valenselektron ser kärnans skärmad av tio inre elektroner, alltså nästan en vätekärna.


4. Rydbergatomer

En atom vars yttersta elektron är exciterad till ett mycket högt kallas Rydbergatom. Elektronen är då så långt ute att den nästan bara ser en punktladdning , och Bohrs modell fungerar mycket bra. För :

Fysika: Te (a₀)

— en atom ungefär lika stor som ett sandkorn. Nivåerna ligger mycket tätt. För stora är avståndet mellan två grannivåer

vilket för blir eV. Motsvarande foton har våglängden m, alltså radiovågor.


5. Var modellen tar slut

Trots träffsäkerheten för väte och väteliknande system lämnar Bohrs modell mycket obesvarat:

  • Blandade principer. Klassiska cirkelbanor kombineras med kvantiseringspostulat som strider mot klassisk elektrodynamik, där en accelererad laddning alltid strålar.
  • Ingenting om själva övergången. Modellen säger inte vad som händer medan elektronen byter bana, och elektronens omloppsfrekvens är i allmänhet inte frekvensen hos det utsända ljuset.
  • Fler elektroner. Försök att utvidga modellen till atomer med två eller fler elektroner misslyckades.
  • Magnetiskt moment. En kretsande elektron är en strömslinga och borde ge ett magnetiskt dipolmoment, men väte i grundtillståndet har inget sådant moment från banrörelsen.

Svaren kräver kvantmekaniken, se Schrödingerekvationen för väteatomen och Atomorbitaler.

Vanliga fel

  • Fel potens av . Energin skalar som , radien som och farten som .
  • Formeln används för atomer med flera elektroner. Neutralt helium har två elektroner och är inte väteliknande; eV gäller bara .
  • glöms i Rydbergs formel. För en jon med blir alla våglängder nio gånger kortare än motsvarande vätelinjer.
  • blandas ihop med . För natriums valenselektron är men .

6. Lösta exempel

Läsning

  • 39.3 Energy Levels and the Bohr Model of the Atom

← Rydbergs formel · F0005T · Reducerad massa →