MODELE ATOMICE

Nume:ComanPrenume:Radu-Mihai

Cls:12I3

Modelul PlanetarUn 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

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: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. Energia totala a electronului este in acest caz egala cu jumatate din energia potentiala in campul electrostatic al nucleului. 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.

Modelul atomic Bohr

Modelul atomic Bohr este primul model de natură cuantică al atomului şi a fost introdus în anul 1913 de către fizicianul danez Niels Bohr. Acest model preia modelul planetar al lui Ernest Rutherford şi îi aplică teoria cuantelor. Deşi ipotezele introduse de către Bohr sunt de natură cuantică, calculele efective ale mărimilor specifice atomului sunt pur clasice, modelul fiind, de fapt, semi-cuantic. Modelul lui Bohr este aplicabil ionilor hidrogenoizi (He+, Li+2, Be+3, etc, adică ionii care au un singur electron în câmpul de sarcină efectivă a nucleului).

Postulatele lui Bohr

Primul postulat al lui BohrEste legat de orbitele atomice şi presupune că electronul se roteşte în jurul nucleului numai pe anumite orbite circulare permise, fără a emite sau a absorbi energie radiantă. Aceste stări se numesc staţionare şi au un timp de viaţă infinit şi energie constantă, atomul trecând pe alte nivele energetice doar dacă este perturbat din exterior. Electronul se menţine pe o orbită staţionară datorită compensării forţei centrifuge cu forţa de atracţie coulombiană.Primul postulat a fost introdus pentru explicarea stabilităţii atomului. El este în contradicţie cu fizica clasică. Conform teoriilor acesteia, o sarcină electrică în mişcare accelerată emite radiaţie electromagnetică. Aceasta ar duce la scăderea energiei sistemului, iar traiectoria circulară a electronului ar avea raza din ce în ce mai mică, până când acesta ar "cădea" pe nucleu. Experimental se constată, însă, că atomul este stabil şi are anumite stări în care energia sa se menţine constantă.

Al doilea postulat al lui BohrAfirmă faptul că un atom emite sau absoarbe radiaţie electromagnetică doar la trecerea dintr-o stare staţionară în alta. Energia pe care o primeşte sau o cedează este egală cu diferenţa dintre energiile celor două nivele între care are loc tranziţia. Radiaţia emisă sau absorbită are frecvenţa dată de relaţia obţinută în cadrul teoriei lui Max Planck

reprezintă constanta lui Planck;νmn frecvenţa radiaţiei emise/absorbite

Em,En energiile stărilor staţionare între care are loc tranziţia.

Atomul trece dintr-o stare staţionară în alta cu energie superioară doar dacă i se transmite o cuantă de energie corespunzătoare diferenţei dintre cele două nivele. La revenirea pe nivelul inferior se emite o radiaţie de aceeaşi frecvenţă ca şi la absorbţie. Acest fapt exprimă natura discontinuă a materiei şi energiei la nivel microscopic. De asemenea, frecvenţele radiaţiilor atomice depind de natura şi structura atomului şi au valori discrete, spectrele lor fiind spectre de linii.

Deficienţe ale modelului

Acest model nu poate explica spectrele de emisie şi energia de ionizare decât pentru atomul de hidrogen şi ionii hidrogenoizi. Nu a putut fundamenta stiintific spectrele unor atomi grei. Nu a putut explica formarea legaturilor duble. Nu a putut fundamenta scindarea liniilor spectrale intr-un camp perturbator.

Modelul atomic RutherfordModelul atomic Rutherford, elaborat de Ernest Rutherford în 1911, este primul model planetar al atomului. Conform acestui model, atomul este format din nucleu, în care este concentrată sarcina pozitivă, şi electroni care se rotesc în jurul nucleului pe orbite circulare, asemeni planetelor în Sistemul Solar.

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 modeluluiPrincipalul 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.

SFARSIT