Rani modeli atoma

1
Rani modeli atoma
2
Linijski spektri Atomi razrijedenih gasova i
para metala, pobudeni elektricnom strujom ili
grijanjem, emituju svjetlost sastavljenu od
talasa odredenih talasnih dužina. Kažemo da se
spektar te svjetlosti sastoji od niza diskretnih
spektralnih linija. Najjednostavniji spektar je
linijski spektar vodonika. Iako se spektar
sastoji od mnogo linija u infra-crvenom,
vidljivom i ultraljubicastom podrucju, one se
ipak mogu grupirati u pojedine serije. Prvi je to
uocio Johann Balmer, pa se danas linije u
vidljivom i ultraljubicastom dijelu spektra zovu
njegovim imenom.
3
Kontinuirani i linijski spektri

• Uporedivanje kontinuiranog (lijevo) i linijskog
  (desno) emisionog spektra

4
Uporedivanje kontinuiranog i linijskog emisionog
spektra
5
Balmerova serija u atomu vodonika
1885, Johann Jakob Balmer je predložio
je empirijsku formulu
? talasna dužina, B konstanta (364.56 nm), n
2 i m cijeli broj takav da je (m gt n)
? Dokaz diskretnih elektronskih orbita
http//www.wikipedia.org/
6
Uskoro su otkrivene i druge serije linija izvan
vidljivog dijela spektra Njihove talasne dužine
se izracunavaju po slijedecim formulama
Lymanova serija Balmerova serija Paschenova
serija Brackettova serija
Sve se ove formule mogu objediniti u jednu u
kojoj ce broj m imati vrijednosti 1, 2, 3, ... Za
razne serije, a n uzimati cijele brojeve vece od
m.
7
Rydbergova Formula
Johannes R. Rydberg je generalizirao Balmerovu
formulu 1888.g.
Rydbergova formula za vodonik
RH Rydbergova konstanta (10973731.57 m-1)
Rydbergova formula za druge elemente
?vac talasna dužina svjetlosi koja se
emituje, Z atomski broj, m i n cijeli brojevi
http//www.wikipedia.org/
8

• Otkrica koja su prethodila prvim uspješnim
  modelima atoma...
• 1897. je izmjerena vrijednost e/m za katodne
  zrake i nadeno da su to negativno nabijene
  cestice, cija je masa oko 2000 puta manja od
  najlakšeg atoma, atoma vodika.
• 1874. Stoney je došao do zakljucka da je
  minimalni naboj nekog jona oko 10-19 C. Taj naboj
  je nazvao elektron.
• U to vrijeme je bilo procijenjeno da je precnik
  atoma oko 10-10 m, a elektrona oko sto hiljada
  puta manji (10-15 m).

9
Rani modeli atoma

• Na prelazu izmedu 19. u 20. stoljece odreden je
  elektron, kao fundamentalna cestica. J.J.Thomson
  je odredio odnos njegovog naboja i njegove mase
  1897. godine. Tada je vec bilo poznato da se
  elektroni oslobadaju u termoelektronskoj emisiji
  iz zagrijanog metala kao i kod fotoelektricnog
  efekta. Još prije 1900. godine Bequerel je
  ustanovio da neki elementi emitiraju tzv.
  Beta-zrake, koje su u stvari elektroni. Iz svega
  ovoga je slijedilo da su elektroni bitan i
  neizostavan sastojak atoma.

• J.J.Thomson u svojoj laboratoriji 1911.g.

10
Thomsonov model atoma

• Ali koji su još sastavni dijelovi atoma, u kakvim
  su medusobnim odnosima, kako su rasporedeni sve
  to je izazivalo pažnju naucnika toga doba i
  uslovilo da se vec na samom pocetku 20. stoljeca
  pojave prvi slikoviti prikazi grade atoma prvi
  modeli atoma.
• Thomson je zamislio atom kao kuglu u koju su
  utisnuti elektroni baš kao što su šljive ili
  groždice utisnute u puding. Tako su u pocetku i
  nazvali ovaj model atoma
• plum-pudding model.

• Thomson-ov plumb-pudding model atoma
  (1911. G.)

11
Rani modeli atoma
1904, J. J. Thomson je predložio tzv. puding od
šljiva (plum pudding) model
Negativno naelektrisane šljive (electroni)
plivaju u pozitivno Naelektrisanom pudingu.
1904, Hantaro Nagaoka je predložio Saturn model
Negativno naelektrisani elektroni rotiraju oko
pozitivno središta.
http//www.wikipedia.org/
http//www.nararika.com/butsuri/kagakushi/gensh
i/genshiron.htm
12
Ernst Rutherford

• Rutherfordov model atoma tzv. planetarni
  model nastao je na bazi rezultata niza
  eksperimenata koje su na kraju prve decenije
  20.stoljeca sa izuzetnom posvecenošcu radili
  mladi Rutherford-ovi saradnici Geiger i Mardsen.

13
Rutherford-ov eksperiment

• Eksperiment rasijanja alfa-cestica na folijama
  zlata cija je debljina bila 3x10-7m dao je neki
  broj rasijanja pod vrlo velikim uglom. Taj
  rezultat je doveo do zakljucka o jezgru
  nukleusu atoma.

14
Rutherfordova aparatura za rasijanje a-cestica
na folijama od zlata

• Izvor alfa-cestica je radioaktivni element, npr.
  radijum. Kroz male otvore na dvije olovne ploce
  fokusira se tanki snop alfa-cestica koje se zatim
  rasijavaju na tankim folijama zlata. Pravci
  rasijanih alfa-cestica se odreduju na osnovu
  scintilacija (svjetlucanja) na okolnim zastorima.

15
Rutherfordov Model
1909, Ernest Rutherford je napravio eksperiment
sa Au folijama
?-zraci su se rasijavali na veoma tankim folijama
Au.
? Konstatovano je tzv. Rutherfordovo rasijanje
unazad.
Rezultati eksperimenata nisu mogli da se
objasne Sa Thomsonovim modelom,pa je prihvacen
Saturn model.
Procijenjeno je da jezgro ima dimenziju 10
-14 m.
http//www.wikipedia.org/
16
Rezultati Rutherford-ovih eksperimenata

• Ako je atom kao u Thomsonov-om modelu atoma
  (1903. god tzv. staticki model atoma) alfa
  cestice treba da se samo neznatno otklone od
  prvobitne putanje
• b) Eksperimenti su pokazali da se neki broj alfa
  cestica snažno otklanja što je dovelo do
  Rutherfordovog modela atoma (1911.god.), (tzv.
  planetarni model atoma )

17
Planetarni model atoma

• Medutim, Ruthefordov model je naišao na niz
  problema koji nisu bili objašnjivi na bazi zakona
  klasicne fizike.

Kretanje elektrona promjenjljivom brzinom (pravac
brzine se mijenja) po kružnoj stazi po zakonima
klasicne fizike znaci kontinuiranu emisiju
energije zbog cega bi se elektron morao kretati
po spiralnoj putanji koja bi ga na kraju
sunovratila u jezgro u vremenu od jedne
miliontnine sekunde. Došlo bi do kolapsa atoma!
18
Neodrživost Rutherford-ovog modela

• Prema klasicnoj fizici emitovani spektar bi bio
  kontinuiran a ne linijski kakav se
  eksperimentalno konstatuje.

19
Neodrživost Rutherford-ovog modela atoma

• Niels Bohr je proveo nekoliko mjeseci u
  Rutherfordovoj laboratoriji 1912. godine. Radeci
  tu Bohr se uvjerio da Rutherford-ov model ima
  osnovu da bude opšte-prihvacen. Samo je trebalo
  na neki nacin prevazici manjkavosti koje je
  stvarala klasicna teorija elektromagnetizma kada
  se primjenjivala u kontekstu ovog modela.
• Naime, prema klasicnoj teoriji, elektron koji se
  ubrzava duž svoje orbite bi kontinuirano emitovao
  zracenje. Ovaj gubitak energije bi uslovio da se
  elektron spiralno sunovracuje u jezgro što bi
  opet znacilo kolaps atoma, a to se u stvarnosti
  ne dešava.

20
Bohrovi postulati

• Zato Bor uvodi neka pravila suprotna zakonima
  klasicbe fizike.

• Od Radeforda preuzima da se elektron u atomu
  vodonika krece po kružnoj putanji jednoliko pod
  uticajem Kulonove privlacne sile izmedu jezgra
  naboja e i elektrona, ciji je naboj e

Sam dodaje dva postulata
1.Elektron može da stalno rotira oko jezgra bez
da gubi energiju ukoliko rotira po orbiti za
koju važi da je moment kolicine kretanja jednak
cijelom broju konstante h/2p, tj. Dozvoljene su
samo one putanje za koje je
mvr n x h/2p , n1,2,3,...
2. Kada se elektron nalazi na nekoj od ovih
putanja, on ne emituje energiju On emituje
(apsorbuje) energiju kada preskace sa jedne
orbite na drugu
h?Ej-Ek
21
Bohr-ov model emisija i apsorpcija kvanta
elektro-magnetnog zracenja

• Preskakanje elektrona sa jedne putanje na drugu
  je praceno apsorpcijom ili emeisijom kvanta
  elektro-magnetnog zracenja zavisno od toga sa
  koje na koju orbitu u atomu elektron preskace

22
Linijski spektri i Bohrov model atoma
Brackettova ser (1922) Bliska infracrv.
Pfundova serija (1924) Daleka infracrvena
Lymanova serija (1906) Ultra violetna
Paschenova serija (1908) Infracrvena
Humphreyeva serija (1953) Daleka infracrvena
Balmerova serija (1885) Vidljiva serija
1913. Niels Bohr je rekao Cim sam vidio
Balmerovu formulu, sve mi je bilo jasno
http//www.bigs.de/en/shop/htm/termsch01.html
23

• Po Bohrovom modelu atoma elektron ne može kružiti
  oko jezgre po bilo kojim vec samo po odredenim
  kvantiziranim stazama.
• To su stacionarne staze/putanje krecuci se po
  njima elektron ne gubi energiju i ne emituje
  elektromagnetne talase.
• Emisija svjetlosti se dogada samo pri skoku
  elektrona s više na nižu stacionarnu stazu.
  Dopuštene su samo one staze kojima je orbitalni
  moment kolicine kretanja cjelobrojni višekratnik
  reducirane Planckove konstante.

24
Bohr je kvantizirao kretanje elektrona
n1,2,3... naziva se glavni kvantni broj.
25
Poluprecnici stacionarnih orbita se racunaju na
slijedeci nacin
26
Energetska stanja vodikovog atoma
27
Energetska stanja vodikovog atoma
Kako n raste, energetski nivoi su sve
bliži Vezani elektron u atomu može imati samo
diskretne, negativne energije
28
Najjednostavniji atom VODONIK
Planetarni model za složenije atome

• Precnik atoma je oko 1 nm

• Atomi helijuma (He) i Litijuma (Li).

Spojevi molekula vode H2O
29
Nedostaci Bohr-ove teorije atoma

• Bohr-ov model atoma nam je dao izvjesnu sliku o
  izgledu atoma. Ali Bohr-ova teorija je imala
  bitna ogranicenja.
• Ona nije bila u stanju da objasni i interpretira
  linijske spektre višeelektronskih atoma, cak ni
  za atom helijuma sa svega 2 elektrona.
• Ova teorija takode nije bila u stanju da objasni
  tzv. finu strikturu linijskog spektra tj.
  pojavu više linija u linijskom spektru kao ni to
  zašto su neke od linija u spektru intenzivnije od
  drugih.
• Bohrov model je takode bio neodrživ sa teoretskoj
  stanovišta on je, naime, bio cudna mješavina
  klasicnog i kvantnog pristupa, a talasno-cesticna
  dualnost u to doba još uvijek nije bila
  razriješena.
• Ranih 20-tih godina postalo je jasno da je za
  objašnjenje atoma potrebna nova, kompletnija
  teorija koja ce uvažiti cesticno-talasnu dualnost
  materije.