Model atomowy Sommerfelda: charakterystyka, postulaty i ograniczenia
Model atomowy Sommerfelda jest ulepszoną wersją modelu Bohra, w której zachowanie elektronów tłumaczone jest istnieniem różnych poziomów energii w atomie. Arnold Sommerfeld opublikował swoją propozycję w 1916 r., Wyjaśniając ograniczenia tego modelu, stosując teorię względności Einsteina.
Wybitny niemiecki fizyk odkrył, że w niektórych atomach elektrony osiągają prędkości zbliżone do prędkości światła. W związku z tym postanowił oprzeć swoją analizę na teorii relatywistycznej. Decyzja ta była kontrowersyjna na razie, ponieważ teoria względności nie została jeszcze zaakceptowana w społeczności naukowej.
W ten sposób Sommerfeld zakwestionował ówczesne wskazania naukowe i dał inne podejście do modelowania atomowego.
Funkcje
Ograniczenia modelu atomowego Bohra
Model atomowy Sommerfelda wyłania się, aby udoskonalić braki modelu atomowego Bohra. Zdania tego modelu, w szerokich uderzeniach, są następujące:
- Elektrony opisują okrągłe orbity wokół jądra, bez promieniowania energii.
- Nie wszystkie orbity były możliwe. Włączone są tylko orbity, których moment pędu elektronu spełnia pewne cechy. Warto zauważyć, że moment pędu cząstki zależy od kompendium wszystkich jego wielkości (prędkość, masa i odległość) w odniesieniu do środka obrotu.
- Energia uwalniana, gdy elektron schodzi z jednej orbity na drugą, jest emitowana w postaci energii świetlnej (fotonu).
Chociaż model atomowy Bohra doskonale opisał zachowanie atomu wodoru, jego postulaty nie były replikowane na inne typy elementów.
Analizując widma otrzymane z atomów pierwiastków innych niż wodór, wykryto, że elektrony znajdujące się na tym samym poziomie energii mogą zawierać różne energie.
Tak więc każda z podstaw modelu była obalalna z perspektywy fizyki klasycznej. Na poniższej liście wyszczególniono teorie, które są sprzeczne z modelem, zgodnie z poprzednią numeracją:
- Zgodnie z prawami elektromagnetycznymi Maxwella, wszystkie obciążenia poddane pewnym przyspieszeniom emitują energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego.
- Biorąc pod uwagę pozycję klasycznej fizyki, było nie do pomyślenia, aby elektron nie mógł swobodnie krążyć po orbicie w żadnej odległości od jądra.
- Do tego czasu społeczność naukowa miała silne przekonanie o falowej naturze światła, a idea, że jest ona obecna jako cząstka, nie była rozważana do tego czasu.
Wkład Sommerfelda
Arnold Sommerfeld doszedł do wniosku, że różnica energii między elektronami - nawet jeśli były na tym samym poziomie energii - wynikała z istnienia pod-poziomów energii na każdym poziomie.
Sommerfeld oparł się na prawie kulombowskim, aby stwierdzić, że jeśli elektron jest poddany sile odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu odległości, opisana ścieżka powinna być eliptyczna i nie ściśle kołowa.
Ponadto opierał się na teorii względności Einsteina, aby dać inne traktowanie elektronom i ocenić ich zachowanie w oparciu o prędkości osiągane przez te podstawowe cząstki.
Eksperymentuj
Zastosowanie wysokorozdzielczych spektroskopów do analizy teorii atomowej ujawniło istnienie bardzo drobnych linii widmowych, których Niels Bohr nie wykrył, i dla których zaproponowany przez niego model nie zapewniał rozwiązania.
W związku z tym Sommerfeld powtórzył eksperymenty dekompozycji światła w jego widmie elektromagnetycznym za pomocą elektroskopów nowej generacji.
Z jego badań Sommerfeld wywnioskował, że energia zawarta w stacjonarnej orbicie elektronu zależy od długości półkul elipsy, która opisuje tę orbitę.
Zależność ta jest podawana przez iloraz, który istnieje między długością osi półśredniej a długością półśredniej osi elipsy, a jej wartość jest względna.
Dlatego też, gdy elektron zmienia się z jednego poziomu energii na niższy, różne orbity mogą być włączone w zależności od długości półosi średniej elipsy.
Ponadto Sommerfeld zaobserwował również, że linie widmowe rozwijają się. Wyjaśnieniem, które naukowiec przypisał temu zjawisku, była wszechstronność orbit, ponieważ mogą one być eliptyczne lub okrągłe.
W ten sposób Sommerfeld wyjaśnił, dlaczego cienkie linie widmowe zostały docenione podczas analizy za pomocą spektroskopu.
Postulaty
Po kilku miesiącach badań z zastosowaniem prawa Coulomba i teorii względności w celu wyjaśnienia wad modelu Bohra, w 1916 r. Sommerfeld ogłosił dwie podstawowe modyfikacje wspomnianego modelu:
- Orbity elektronów mogą być okrągłe lub eliptyczne.
- Elektrony osiągają prędkości relatywistyczne; to znaczy wartości zbliżone do prędkości światła.
Sommerfeld zdefiniował dwie zmienne kwantowe, które pozwalają opisać orbitalny moment pędu i kształt orbitalu dla każdego atomu. Są to:
Główna liczba kwantowa „n”
Kwantyzuj półosiową elipsę opisaną przez elektron.
Wtórna liczba kwantowa „I”
Kwantyzuj mniejsze półokrągłe elipsy opisane przez elektron.
Ta ostatnia wartość, znana również jako azymutalna liczba kwantowa, została oznaczona literą „I” i uzyskuje wartości w zakresie od 0 do n-1, gdzie n jest główną liczbą kwantową atomu.
W zależności od wartości azymutalnej liczby kwantowej Sommerfeld przypisał różne nominały orbit, jak opisano poniżej:
- l = 0 → S. orbitale
- l = 1 → główny orbitalny orbital p.
- l = 2 → rozproszony orbital orbital d.
- I = 3 → orbital podstawowy orbital f.
Ponadto Sommerfeld wskazał, że jądro atomów nie jest statyczne. Zgodnie z proponowanym przez niego modelem, zarówno jądro, jak i elektrony poruszają się wokół środka masy atomu.
Ograniczenia
Główne wady modelu atomowego Sommerfelda są następujące:
- Założenie, że moment pędu jest kwantowany jako iloczyn masy przez prędkość i promień ruchu jest fałszywa. Moment pędu zależy od natury fali elektronowej.
- Model nie określa, co powoduje przeskok elektronu z jednej orbity na drugą, ani nie może opisać zachowania systemu podczas przejścia elektronu między stabilnymi orbitami.
- Zgodnie z zaleceniami modelu nie można znać intensywności widmowych częstotliwości emisji.
