مدل اتمی بور

مدل اتمی بور برای اولین بار كوانتیده بودن فواصل و سطح های انرژی در اتم ها را مطرح كرد و قادر به توجیه طیف اتمی اتم هیدروژن بود که در ادامه با آن آشنا می شویم.

در مدل اتمی بور الكترون ها در اتم تنها می توانند در فواصل مشخصی ( یا بخصوصی) به دور هسته در حال گردش باشند و e اجازه ندارد در فاصله ای مابین دو فاصله ی مجاز متوالی قرار بگیرد. هر فاصله ی مشخص متناظر با یك سطح انرژی معین است، بطوریکه فاصله های نزدیکتر به هسته متناظر با سطوح انرژی کمتر هستند یا در واقع با کاهش فاصله از هسته سطح انرژی هم کاهش می یابد. هر فاصله یا سطح انرژی مشخص یك لایه یا مدار یا سطح انرژی نامیده می شود. لایه ها به ترتیب نزدیکی آنها به هسته با حروف (K, L, M, N, …) یا با شماره ها (n=1,n=2,n=3,…. ) مشخص می شوند.

در مدل اتمی بور الكترون می تواند بین لایه ها با گرفتن یا از دست دادن انرژی دقیقاً برابر اختلاف سطح انرژی لایه ها جابجا شود. الكترون با گرفتن انرژی از لایه ی پایین تر ( نزدیکتر به هسته با سطح انرژی کمتر) به لایه ی بالاتر (دورتر از هسته با سطح انرژی بیشتر) جابجا می شود و با از دست دادن انرژی می تواند از لایه ی دورتر یا با سطح انرژی بالاتر به لایه ی نزدیك تر یا با سطح انرژی كمتر جابجا شود. گرفتن یا از دست دادن انرژی می تواند به صورت مبادله ی انرژی نورانی صورت بگیرد، مثلاً الكترون می تواند با از دست دادن فوتونی با انرژی دقیقاً برابر اختلاف انرژی دو لایه از لایه ی دورتر به لایه ی نزدیك تر و با سطح انرژی كمتر جابجا شود. همچنین الكترون می تواند با جذب فوتون با انرژی دقیقاً برابر اختلاف انرژی دو لایه از لایه ی پایین تر به لایه ی بالاتر جابجا شود.

با توجه به قوانین فیزیک طبیعی است که الكترون ها تمایل داشته باشند که در نزدیك ترین فاصله ها نسبت به هسته یا در لایه ها با كمترین سطوح انرژی قرار بگیرند. اگر تمام الكترون های یك اتم در حد امكان در نزدیك ترین لایه ها به هسته قرار داشته باشند، آرایش مربوطه پایدارترین حالت ممكن یا پایدارترین آرایش الكترونی برای اتم است و حالت پایه (Ground State) نامیده می شود. به آرایش های الكترونی به غیر از حالت پایه كه با فرستادن الكترون ها به سطوح انرژی بالاتر یا لایه های دورتر بدست می آیند، حالت برانگیخته (Excited State) گفته می شود. اتم در حالت برانگیخته تمایل دارد با از دست دادن انرژی مثلاً به صورت تولید فوتون به حالت پایه برگردد. بالعكس با دادن انرژی به اتم در حالت پایه می توان اتم را به حالت برانگیخته برد.

بعبارت دیگر مدل اتمی بور كوانتیده ( گسسته) بودن فاصله و سطح انرژی الكترون در اتم را مطرح می کند و حالت های مجاز با فواصل و سطوح انرژی مشخص را لایه ها یا مدارها می نامد. مدل اتمی بور امكان جابجایی الکترون بین حالت ها (لایه ها)ی مجاز را امکان پذیر می داند، به شرط آنکه مبادله ی انرژی دقیقاً برابر اختلاف انرژی دو لایه ای كه الکترون بین آنها جابجا می شود، صورت گیرد. در مدل اتمی بور این تبادل انرژی بصورت انرژی نورانی صورت می گیرد. در این مدل حالت با پایین ترین سطح انرژی که از قرار گرفتن الکترونهای اتم در نزدیکترین فواصل امکان پذیر نسبت به هسته بدست می آید، بعنوان بهترین حالت در نظر گرفته می شود و حالت پایه است، در حالیکه مابقی حالت ها بعنوان حالت برانگیخته نامطلوب در نظر گرفته می شوند و تمایل دارند با از دست دادن انرژی و برگرداندن الکترون به لایه های پایین تر به حالت پایه تبدیل شوند.

نیلز بور (7 October 1885- 18 November 1962)

شکل بعدی یک اتم نمونه مثل اتم هیدروژن را بر مبنای مدل اتمی بور نشان می دهد. در این شکل پنج مدار اول یا پنج لایه اول اتم هیدروژن نمایش داده شده اند. هر لایه با شماره یا حرف بخصوص خود مشخص شده است و فاصله ( شعاع) و سطح انرژی مخصوص خود را دارد. مثلا لایه اول با n=1 یا با حرف K مشخص می شود و فاصله الکترون از هسته و سطح انرژی الکترون در صورت قرارگیری در این لایه به ترتیب r₁ و E₁ است، یا بعنوان مثال دیگر لایه چهارم با n=4 یا با حرف N مشخص می شود و فاصله الکترون از هسته و سطح انرژی الکترون در صورت قرارگیری در این لایه به ترتیب r₄ و E₄ است.      

بنابر مدل اتمی بور الکترون اتم هیدروژن می تواند در فاصله های r₁ ، r₂ ، r₃ ، r₄ ، r₅ و ... از هسته ( متناظر با لایه های n=1 ، n=2 ، n=3 ، n=4 ، n=5 و ...) قرار گیرد، اما نمی تواند در فاصله ای بغیر از اینها مثلا در فاصله ای مابین r₁ و r₂ یا کمتر از r₁ ( نزدیکترین فاصله مجاز) قرار گیرد. همچنین بنابر مدل اتمی بور الکترون در اتم هیدروژن می تواند سطح انرژیهایی برابر E₁ ، E₂ ، E₃ ، E₄ ، E₅ و ... ( در صورت قرارگیری در لایه های به ترتیب n=1 ، n=2 ، n=3 ، n=4 ، n=5 و ...) داشته باشد، اما نمی تواند سطح انرژی ای بغیر از اینها مثلا سطح انرژی بین E₁ و E₂ یا کمتر از E₁ ( کمترین سطح انرژی ممکن) داشته باشد.

بنابر مدل اتمی بور الکترون اتم هیدروژن می تواند بین این لایه ها به شرط مبادله انرژی مناسب به صورت فوتون جابجا شود. مقدار مناسب انرژی همان اختلاف سطح انرژی دو لایه مبدا و مقصد است و اگر لایه مقصد سطح انرژی بالاتری داشته باشد، بایستی فوتون با این انرژی جذب شود و اگر لایه مقصد سطح انرژی پایین تری داشته باشد، بایستی فوتون با این انرژی تولید شود. بعنوان مثال الکترون می تواند از لایه اول (n=1) به لایه چهارم (n=4) با جذب یک فوتون با انرژی برابر E₄-E₁ برود و برعکس با تولید یک فوتون با انرژی برابر E₄-E₁ می تواند از لایه چهارم (n=4) به لایه اول (n=1) بیاید. این مطلب در شکل بعدی نمایش داده شده است.

توضیح شکل: نمایش انتقال الکترون از لایه n=1 به لایه n=4 و بالعکس در اتم هیدروژن و جذب و نشر فوتون مربوطه

در شکل سمت چپ مدارها در اتم هیدروژن نمایش داده شده اند، در حالیکه در شکل سمت راست فقط سطوح انرژی مدارها در دیاگرام انرژی نمایش داده شده اند.

بهترین حالت برای الکترون اتم هیدروژن قرارگیری آن در کمترین سطح انرژی که متناظر با نزدیکترین فاصله نسبت به هسته و لایه n=1 است، می باشد که این حالت، حالت پایه اتم هیدروژن خواهد بود. حالتهای دیگر که سطح انرژی های بالاتری دارند، حالتهای برانگیخته و نامطلوب محسوب می شوند. شکل بعدی نمایشی برای این مطلب است.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||