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Bohrs 'Neues' Modell des Atoms: Was es ist und warum es wichtig ist

Obwohl veraltet, war Bohrs Atommodell ein wichtiger Schritt.

Eine Illustration eines Energieatoms. cokada / iStock

Seit den frühen Tagen unserer Spezies haben wir über die grundlegende Funktionsweise der Welt und des Universums um uns herum nachgedacht. Diese Besessenheit, eine scheinbar chaotische und oft beängstigende Welt zu verstehen, hat zu einigen unglaublichen Enthüllungen über die Natur vonNaja, Natur.

Eine solche Entdeckung war das Konzept, dass alles um uns herum aus Grundbausteinen, Atomen, besteht. Während wir heute wissen, dass sogar Atome in andere Grundteilchen unterteilt werden können, war diese Information zur Zeit des dänischen Physikers noch nicht bekanntNils Bohr.

Doch sein „neues“ Modell für das Atom, das mit Ernest Rutherford entwickelt wurde, bleibt eine der bemerkenswertesten intellektuellen Leistungen in der Physik und wird immer noch Millionen von jungen Köpfen jedes Jahr beigebracht. Schauen wir uns dieses entscheidende Sprungbrett genauer anauf dem Weg zu unserem heutigen Verständnis von Quantenphysik.

Wie hieß Bohrs Atommodell?

Für jeden, der zumindest einige grundlegende Lektionen in Chemie genommen hat, sind Sie wahrscheinlich mehr als vertraut mit Bohrs "neuem" Modell für das Atom. Sie kennen vielleicht nicht seinen Namen, aber Sie sind wahrscheinlich mehr als au fait mit dem Grundkonzept.

Quelle: Altayb/iStock

Kurz gesagt, das Bohr-Modell besteht aus einem zentralen positiv geladenen Kern normalerweise als klein dargestellt, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist, die sich auf diskreten Bahnen bewegen. Das Modell erklärt dass das Wirkungsquantum nur die von einem Elektron eingenommene Bahn bestimmen könnte und dass elektromagnetische Strahlung von einem Atom trat auf, als ein Elektron zu einer niedrigeren Energie sprang Umlaufbahn. jetzt hauptsächlich als veraltet angesehen Für praktizierende Wissenschaftler ist es immer noch ein grundlegender Bestandteil jeder Highschool-Ausbildung in Naturwissenschaften.

Das bedeutet nicht, dass Bohrs Modell falsch ist, an sich, nur dass es nicht ganz richtig ist. Zum Beispiel verstößt es gegen einen zugegebenermaßen starken Begriff gegen etwas namens Heisenbergsche Unschärferelation, da es besagt, dass Elektronen einen bekannten Radius und eine bekannte Umlaufbahn haben. Wie wir es heute wissen, schlug er jedoch richtigerweise vor, dass die Energie und die Radien der Umlaufbahnen von Elektronen in Atomen quantisiert sind eine messbare Energiemenge haben.

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Das Modell liefert auch einen falschen Wert für die Bahndrehimpuls im Grundzustand Messung und ist weniger hilfreich bei der Modellierung größerer Atome. Zu Bohrs Verteidigung, diese Phänomene waren noch nicht beschrieben worden, als Bohr sein Modell formulierte.

Was sind die Hauptpunkte des Bohrschen Modells?

Die Hauptpunkte zum Mitnehmen über das Atom sind relativ kurz und einfach zu verstehen. Deshalb wird es teilweise noch heute den Schülern beigebracht.

Der erste Punkt ist, dass Elektronen den Kern in diskreten Ebenen umkreisen, Schalen genannt, und sie eine festgelegte Größe und Menge Quanten an Energie haben.

Der zweite Hauptpunkt ist, dass die Energie, die das Elektron "braucht", um eine "größere" Umlaufbahn dh weiter vom Kern entfernt aufrechtzuerhalten, notwendigerweise größer ist als die, die erforderlich ist, um eine kleinere Umlaufbahn aufrechtzuerhalten.

Und der letzte Punkt ist, dass Strahlung absorbiert oder emittiert wird, wenn sich ein Elektron von einer Umlaufbahn oder Schale in eine andere bewegt. Wenn ein Elektron eine Schale „überspringt“, sagt man, es habe Energie absorbiert, und umgekehrt für Elektronen, die „fallen“." zu niedrigeren/näheren Umlaufbahnen oder Granaten.

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Wer hat Bohrs Modell entdeckt?

Bohrs Modell wurde von dem dänischen Physiker Niels Henrik David Bohr entdeckt bzw. formuliert. Bohr wurde am 7. Oktober 1885 in Kopenhagen, Dänemark, geboren und entwickelte sich zu einem der kritischsten Denker auf den damals aufkommenden Gebieten der PhysikAtomtheorie und Quantenphysik.

Quelle: DepositPhotos

Seine Arbeit war so wichtig, dass er 1922 mit dem hoch angesehenen Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

In seiner späteren Karriere etablierte Bohr die Institut für Theoretische Physik an der Universität Kopenhagen, jetzt bekannt als Niels Bohr Institut , das 1920 eröffnet wurde. Er war auch Mentor vieler anderer prominenter Physiker in ihren frühen Karrieren, einschließlichg Hans Kramers, Oskar Klein, George de Hevesy, Lise Meitner, Otto Frisch und Werner Heisenberg.

Bohr konnte auch erfolgreich die Existenz des Elements Hafnium vorhersagen basierend auf dem lateinischen Namen für Kopenhagen, wo es entdeckt wurde. Das absolut synthetisches Element kommt in der Natur nicht vor Bohrium wurde auch nach ihm benannt.

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Bohrs Auszeichnungen erstrecken sich auch auf die humanitäre Arbeit, als er sich in den 1930er Jahren sehr aktiv dafür einsetzte, jüdischen Physikern zu helfen, den Tentakeln der nationalsozialistischen Ideologie zu entkommen.Bohr nutzte seine Verbindungen um Physikern befristete Stellen an seinem Institut anzubieten und ihnen dann zu helfen, anderswo, oft in den Vereinigten Staaten, dauerhafte Anstellungen zu finden.

Während des Krieges traf er sich mit Heisenberg dem Leiter des deutschen Atomwaffenprogramms, um die Möglichkeit der Entwicklung einer Atomwaffe zu besprechen. Er hatte das Gefühl, dass praktische Schwierigkeiten die Entwicklung der Bombe bis nach dem Krieg verzögern würden.

1943, zwei Jahre nachdem Deutschland Dänemark besetzt hatte, erhielt Bohr eine geheime Nachricht von einem britischen Kollegen James Chadwick und lud ihn ein, nach England zu kommen, um wichtige wissenschaftliche Arbeit zu leisten. Aber Bohr blieb, überzeugt, dass er in Dänemark mehr Gutes tun könnte. Einige Monate später wurde Bohr jedoch gewarnt dass er kurz davor stand, von den Deutschen verhaftet zu werden, und dass er mit seiner Familie mit dem Boot nach Schweden floh und mit einem Militärflugzeug nach England gebracht wurde, wo er beigetreten Atomwaffenprojekt British Tube Alloys . Er war auch Teil der britischen Mission für das Manhattan-Projekt.

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Er leistete bedeutende Beiträge zur Entwicklung der Bombe. Dennoch laut J. Robert Oppenheimer, sein herausragendster Beitrag war zu dienen als „wissenschaftlicher Beichtvater der jüngeren [Wissenschaftler]“

Nach dem Krieg kehrte Bohr nach Dänemark zurück, wo er als Held gefeiert wurde. Er führte sein Institut weiter und hat geholfen, eine Kernforschungsanlage in Risø bei Roskilde aufzubauen. Er hat auch forderte eine internationale Zusammenarbeit bei der Kernenergie auf. Er war an der Gründung des CERN und der dänischen Atomenergiekommission beteiligt und wurde der erste Vorsitzende der Nordisches Institut für Theoretische Physik 1957.

Bohr starb in seinem Haus an HerzversagenKarlsberg am 18. November 1962 im reifen Alter von 77 Jahren. Er wurde eingeäschert, und seine Asche wurde auf dem Grab der Familie Bohr in der begraben.Assistens Friedhof in Kopenhagen.

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Was erklärt Bohrs Modell?

Kurz gesagt, Bohrsches Modell des Atoms schlägt vor dass Elektronen ihren Kern auf festen Energieniveaus umkreisen. Wenn dies zutrifft, haben alle Elektronen, die näher am Kern kreisen, niedrigere Energieniveaus als diejenigen, die weiter davon entfernt sind.

Wenn sich Elektronen von einer Umlaufbahn oder Hülle in eine andere bewegen, erfordert dies entweder Energiezufuhr oder eine Energiefreisetzung. Wenn Elektronen von einer höheren Umlaufbahn in eine andere "fallen", wird diese überschüssige Energie aus dem Atom in Form von freigesetztStrahlung.

Eine sehr grobe Analogie wäre die Verwendung einer Leiter. Um Ihre Masse eine einzelne Sprosse hinaufzubewegen, müssen Sie Energie aufwenden. Je höher Sie die Leiter hinaufsteigen, desto mehr Energie wird investiert, um Ihren „Aufbau“ zu überwindenpotenzielle Energie, je höher du gehst.

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Wenn Sie die Leiter wieder herunterkommen, wird diese potenzielle Energie freigesetzt, wenn Sie Schritt für Schritt absteigen. Aber wenn Sie nicht aufpassen, können Sie diese potenzielle Energie auf einmal freisetzen, indem Sie von der Leiter fallen offensichtlich nicht wünschenswert.

Quelle: ck-12

Außerdem steigen Sie in Stufen auf oder ab. Es gibt keine „Zwischenposition“ auf der Leiter – Ihr Fuß trifft entweder auf eine Sprosse oder auf die Leertaste.

Abhängig von der ursprünglichen Umlaufbahn/Hülle, die ein Elektron startet und dann endet, wird eine entsprechende und verräterische Lichtfrequenz freigesetzt.

Bohrsches Modell beschreibt auch, wie verschiedene Elektronenschalen wie K, L, M, N usw. auch unterschiedliche Anzahlen von Elektronen "halten" können. Je größer die Umlaufbahn oder Schale, desto mehr Elektronen. Wir wissen auch, dass diese großen Schalen auchhaben Unterteilungen. Zum Beispiel enthält die L-Shell zwei Subshells namens 2s und 2p.

Also hat die dem Kern am nächsten liegende Elektronenhülle und Unterschalen weniger Energie, und die am weitesten vom Kern entfernte Elektronenhülle hat mehr Energie.

Wie hat Bohr das Bohr-Modell entdeckt?

Neils Bohr schlug sein gleichnamiges Atommodell vor, beginnend mit einer Reihe von Artikeln, die 1913 veröffentlicht wurden. Dieses Modell war wiederum eine Modifikation oder Verbesserung früherer Modelle für das Atom, die von Ernest Rutherford und anderen prominenten Wissenschaftlern vorgeschlagen wurden.

Quelle: Berühmte Wissenschaftler.org

Aus diesem Grund wird das Modell nicht selten als Rutherford-Bohr-Modell bezeichnet.

Im Gegensatz zu der frühere "Cookie Dough"-Modell jetzt weitgehend abgelehnt, hat Bohr einige Elemente des aufstrebenden Gebiets der Quantenmechanik in sein überarbeitetes Atommodell aufgenommen. Während das Bohr-Modell einige signifikante Fehler enthält dazu später mehr, it ist wesentlich, weil es die meisten akzeptierten Merkmale der Atomtheorie ohne all die komplexen mathematischen Gleichungen der modernen Version beschreibt.

Im Gegensatz zu vielen anderen Modellen, wie dem von Rutherfords, die ihm vorausgingen, kann Bohrs Modell, obwohl es immer noch ungenau ist, das erklären Rydberg-Formel für die spektralen Emissionslinien von atomarem Wasserstoff.

Das Bohr-Modell wird aus offensichtlichen Gründen als "Planetenmodell" bezeichnet - es hat die negativ geladenen Elektronen die sich wie winzige Planeten verhalten, die einen viel kleineren Kern umkreisen gegenüber die Sonne.Der einzige Unterschied besteht darin, dass sich die Elektronen im Gegensatz zu dem, was viele Leute über das Bohr-Modell denken mögen, nicht in einer einzigen Ebene bewegen.

In dieser Hinsicht ist die Gravitationskraft des Sonnensystems mathematisch ähnlich der Coulomb elektrischen Kraft zwischen dem positiv geladenen Kern und den negativ geladenen Elektronen, sozusagen.

Warum hat Bohr sein Modell erstellt?

Wie alle wissenschaftlichen Durchbrüche, ob groß oder klein, basieren sie alle auf der Arbeit einer langen Reihe von Wissenschaftlern und Denkern über viele Jahrhunderte hinweg. Dasselbe gilt für Bohrs Modell.

Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, das Konzept des Atoms ist sehr lang. Das alte griechischer Philosoph Demokrit zum Beispiel postulierte bekanntermaßen, dass man, wenn man ein Objekt immer wieder in zwei Hälften spuckt, schließlich ein einzelnes Stück erreichen würde, das nicht weiter geteilt werden kann.

Der Begriff „Atom“ war geboren.

Schneller Vorlauf zu den frühen 1800er Jahren und großen Köpfen wie dem britischen ChemikerJohn Dalton, der das erste moderne „Modell“ für ein Atom entwickelte. Später, im Jahr 1904, entdeckte ein anderer britischer Wissenschaftler, JJ Thomson, dass Atome kleine negativ geladene Teilchen enthalten, die er „Elektronen“ nannte.

Wie viele große wissenschaftliche Entdeckungen war dies eine vollständige Offenbarung und eine, die zufällig geschah, während er Elektrizität studierte. Da bekannt war, dass die meisten Atome insgesamt neutral geladen sind, muss dies bedeuten, dass ein anderer Teil des Atoms positiv geladen ist.

Quelle: agsandrew/iStock

Zu diesem Zweck schlug er das sogenannte „Cookie Dough“- oder „Plum Pudding“-Modell für das Atom vor, bei dem negativ geladene Elektronen auf einer positiv geladenen Materiekugel „sitzen“ wie Schokoladenstückchen in Keksteig.

Dann, um 1909, bewies Ernest Rutherford, dass das „Cookie Dough“-Modell des Atoms nicht ganz genau war. Er zeigte dies, indem er ein Bündel kleiner, positiv geladener Teilchen bekannt als Alpha-Teilchen auf ein Blatt Goldfolie feuerte. Wenn das Plum-Pudding-Modell richtig wäre, müssten die Alpha-Teilchen bei Rutherford zurückprallen, weil sie die positiven Kugeln der Atome treffen würden – so wurde zumindest geglaubt.

Zu Rutherfords Überraschung gingen die meisten Partikel jedoch direkt durch die Goldfolie. Seltsam.

Daher schloss Rutherford, dass die meisten Atome muss ein Leerzeichen sein. Das war damals eine revolutionäre Entwicklung.

Er machte auch den intellektuellen Sprung, um vorzuschlagen, dass die positive Ladung des Atoms irgendwo in der Mitte des Atoms in einem zentralen "Kern" konzentriert war. Die Begründung war, dass alle abgelenkten Teilchen diejenigen sein müssen, die diesen zentralen Kern getroffen haben.

Dies führte zu Rutherfords „Pfirsich“-Modell, weil es ein hartes und dichtes Zentrum des Atoms dh die Pfirsichgrube beschrieb. Das „Fleisch“ des Pfirsichs in diesem Modell wäre größtenteils leerer Raum oder zumindest wenigerdichter oder schwerer als der "Kern" oder Kern.

Im Jahr 1885 veröffentlichte Johann Balmer zwei Arbeiten, in denen eine Gleichung zur Bestimmung der Emissionsspektren und des photoelektrischen Effekts beschrieben wurde. Emissionsspektren sind die Folgen von Wellenlängencharakterisierend das elektromagnetische Strahlung emittiert von angeregten Atomen. Die Spektrallinienemissionen des Wasserstoffatoms sind Balmer-Reihe genannt, die ein weiterer wichtiger Schritt für unser Verständnis der Struktur des Atoms war.

1911 Rutherford und seine Mitarbeiter experimentell festgestellt, dass die Atom besteht aus einem schweren, positiv geladenen Kern und einem leichteren, negativ geladenen KernElektronen umkreist. Nach klassischer Physik wäre dieses System jedoch instabil.

Bohr baute bei der Entwicklung seiner Lösung für diese Instabilität auf der Arbeit von Balmer und Rutherford auf und entwickelte 1913 sein weithin bekanntes „neues“ Modell.

Bohr machte auch den intellektuellen Sprung, um zu behaupten, dass Elektronen Energie nicht zufällig ausstrahlen, sondern gemäß Zuständen konstanter Energie, die als stationäre Zustände bezeichnet werden. Mit anderen Worten, Elektronen "sitzen" in festen Bahnen um einen Kern in festen Abständen und nur in festen Abständensetzen Energie frei, wenn ihre stationären Zustände auf irgendeine Weise gestört werden.

Was ist Bohrs Wasserstoffmodell?

Das einfachste bekannte Atom ist das Wasserstoffatom oder ein wasserstoffähnliches Ion. Diese Atomarten bestehen aus einem einzelnen Elektron, das einen positiv geladenen Kern umkreist.

Unter solchen Umständen elektromagnetische Energie wird absorbiert oder emittiert, wenn sich ein Elektron von einer Umlaufbahn/Hülle zu einer anderen bewegt. Denken Sie daran, dass nur bestimmte Umlaufbahnen erlaubt sind.

Quelle: SLAC/Flickr

Wie wir bereits erwähnt haben, waren die Wasserstoff-Emissionsspektren eine der Hauptinspirationen für Bohrs Modell. Die Emissionsspektren wurden experimentell demonstriert, indem ein elektrischer Strom durch ein mit Wasserstoffgas gefülltes Glasrohr bei niedrigem Druck geleitet wurde.

Wenn dies geschehen ist, emittiert die Röhre ein blaues Licht, das vier schmale Bänder hellen Lichts erzeugt, wenn es durch ein Prisma geleitet wird. Dieses Licht kann wiederum auf einen schwarzen Hintergrund projiziert werden, um dem Betrachter einen klaren Hinweis auf die Lichtfrequenzen zu gebenemittiert von den angeregten Atomen.

Dies erzeugt ein Lichtspektrum in diskreten Bändern von Rot mit einer Wellenlänge von 656 Nanometern nm, Blaugrün Wellenlänge von 486 nm, Blauviolett 434 nm und Violett 410 nm.

Schon die Tatsache, dass Wasserstoffatome bei einer bestimmten Anzahl von Frequenzen Strahlung emittieren oder absorbieren, deutet darauf hin, dass diese Atome nur Strahlung mit bestimmten Energien absorbieren können. Daraus folgt, dass es innerhalb des Wasserstoffatoms nur eine begrenzte Anzahl von Energieniveaus gibt.Diese Energieniveaus sind zählbar, und die Energieniveaus des Wasserstoffatoms sind quantisiert.

Um dies zu erklären, schlug Bohr vor, dass die mögliche Umlaufbahnen in einem Wasserstoffatom um n erhöhen2, wobei n das istHauptquantenzahl. Nach Bohrs Modell erzeugt ein Übergang von Schale 3 zu Schale 2 die erste Linie von Balmer-Serie. Für Wasserstoff ergibt dies ein Photon mit einer Wellenlänge von 656 nm oder rotes Licht - wie in den Emissionsspektren für Wasserstoff zu sehen ist.

Die anderen Emissionsfarben entsprechen deutlicheren Sprüngen von höheren Energiezuständen in den "stationären Zustand" des Elektrons und setzen eine entsprechend kürzere Wellenlänge mehr Energie frei als das rote Licht.

Warum ist Bohrs Atommodell falsch?

Wir haben, wenn auch nur kurz, die Prinzipien und Vorzüge von Bohrs Atommodell erklärt, aber was ist daran falsch?

Das Hauptproblem bei Bohrs Modell für das Atom ist, dass es außergewöhnlich gut für Atome mit nur einem einzigen Elektron funktioniert. Dies sollte nicht überraschen, da es teilweise auf der Grundlage der Emissionsspektren von Wasserstoff formuliert wurde.

Außerdem war Bohr, wie wir gesehen haben, in der Lage, den Energieunterschied zwischen den einzelnen Energieniveaus vorherzusagen, wodurch wir die Energien jeder Linie im Emissionsspektrum von Wasserstoff vorhersagen und verstehen konnten, warum Elektronenenergien quantisiert sind.

Das Bohrsche Modell bricht jedoch zusammen, wenn es auf Mehrelektronenatome angewendet wird. Es berücksichtigt beispielsweise keine Unterniveaus s, p, d, f, Orbitale oder Elektronenspins. Das Bohrsche Modell erlaubt das klassische Verhalten von anElektron umkreist den Kern in diskreten Abständen vom Kern.

Quelle: Argonne National Laboratory/Flickr

Die Anwendung der Schrödinger-Gleichung auf Atome kann die Natur der Elektronen in Atomen genauer erklären. Dies sagt uns auch, dass die genaue Position eines Elektrons niemals genau bekannt sein kann. Daher kann Bohrs Konzept diskreter "Schalen" nicht der Fall sein.

Das Bohrsche Modell kann die Feinstruktur des Wasserstoffspektrums und die Aufspaltung von Spektrallinien aufgrund eines externen elektrischen Felds nicht erklären Stark-Effekt oder Magnetfeld Zeeman-Effekt.

Es konnte nicht erklären, warum einige Linien in den Spektren heller waren als die anderen, dh warum einige Übergänge im Atom günstiger sind als die anderen.

Unter anderem aus diesen Gründen wird Bohrs Modell heute verehrt, ist aber in der Atomtheorie nicht mehr quantitativ oder qualitativ brauchbar. Man kann es sich passenderweise so vorstellen, als würde die Newtonsche Physik durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie ersetzt.

Und das, Bohr's New Model Enthusiasten, ist Ihr Los für heute.

Obwohl Bohrs Modell für das Atom heute in praktischer Hinsicht weitgehend veraltet ist, ist es eine der wichtigsten Entdeckungen in der Physik aller Zeiten. Genau wie die Analogie der Elektronen, die die Sprossen einer Leiter hinaufklettern, stellt Bohrs Modell eine solche Sprosse darunser wachsendes Verständnis des Atoms und der grundlegenden Geheimnisse des Universums.

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