Исходя из постулатов Н. Бора и применяя планетарную модель строения атома, ученые создали количественную теорию атома водорода, рассчитав все необходимые радиусы стационарных орбит электрона в атоме водорода и вычислив соответствующие значения общей энергии.
Рисунок 1. Теория атома водорода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В атоме водорода вокруг протона, который несет положительный заряд e, постоянно движется один электрон. Ядро можно считать стабильным и неподвижным, так как его масса в 1840 раз больше веса самого электрона; поверхность элемента при первом приближении можно считать круговой.
Расчет радиусов орбит можно осуществить с помощью определения интенсивности движения электрона вокруг ядра в атоме водорода, который выполняет трансформацию по круговой орбите под воздействием кулоновской силы и демонстрирует центростремительное ускорение. По второй гипотезе Ньютона такой расчет применим для всех радиусов действующих стационарных орбит элементов в атоме водорода.
Для более наглядного представления вероятных энергетических явлений атомов применяют специальные электромагнитные диаграммы, на которых определенное состояние атома отмечается соответствующей горизонтальной линией, называемой в науке энергетическим уровнем.
Спектр атома водорода по Бору
Выдвинутые известным физиком Бором постулаты предоставили возможность точно рассчитать общий спектр атома водорода и всех водородоподобных концепций (систем, которые состоят из ядра с положительным зарядом $Ze$ и одного электрона), а также посредством теоретических вычислений определить постоянную Ридберга.
Для понимания этого принципа необходимо более детально рассмотреть движение электрона в стабильной водородоподобной системе, используя круговые стационарные орбиты.
Полная и постоянная энергия электрона в данной концепции системе включает в себя весь потенциал кинетической энергии и возможной активности электронов в электростатическом поле ядра. Исследуя квантованные показатели для радиуса $n$-й элементарной орбиты можно определить, что энергия элемента в атоме может принимать только конкретную дискретную формулировку.
Из представленных формул можно увидеть, что энергетические нестабильные состояния атома водорода формируют своеобразную последовательность электромагнитных уровней, которые трансформируются в зависимости от своего значения. Постоянное число n в этом выражении определяет энергетические и обязательные уровни атома, следовательно, называется основным квантовым числом. Энергетическое состояние с $n = 1$ является основным (нормальным) состоянием ядра, а состояния с $n > 1$ считается возбужденными. Соответствующий данному состоянию атома энергетический уровень физики определяют в виде нормального уровня.
Модель атома Резерфорда-Бора
Резерфорд разработал и представил обществу уникальную планетарную модель атома. Согласно этой концепции, вокруг положительно заряженного ядра, имеющего коэффициент $Ζe$ ($Ζ$ — порядковый номер химического элемента в известной системе Менделеева, е — элементарная частица) практически всегда будет действовать электроны, которые находятся по обе стороны замкнутой орбиты. Таким образом, элемента атома образуют электронную оболочку. Так как атомы абсолютно нейтральны, то заряд одного ядра равняется общему заряду электронов, то есть вокруг ядра будет вращаться $Ζ$ электронов.
Зная, что электрон перемещается по линии ядра по круговой орбите радиуса $r$, можно рассчитать кулоновскую силу взаимодействия между электроном и атомом, которая показывает определенное центростремительное ускорение.
Многочисленные исследования спектров излучения световых лучей и разреженных газов показали, что конкретному газу присущ один линейчатый спектр, который состоит из отдельных спектральных групп, близко расположенных к центральным линиям. Самым изученным считаются спектр самого простого атома — атома водорода.
В инфракрасном пространстве спектра были также найдены:
- серия Пушена $ν = R (n = 3, 4, 5,...)$;
- серия Брэката $ν = R (n = 4, 5, 6,...)$;
- серия Пефунда $ν = R (n = 5, 6, 7,...)$;
- серия Хемфра $ν = R (n = 6, 7, 8,...)$.
Все вышеуказанные серии в обычном спектре атома водорода могут быть записаны посредством одной формулы, называемой в науке обобщенным уравнением Бальмера.
Все попытки ученых построить модель атома в пределах классической физики не привели к желаемому успеху.
Преодоление постоянно возникающих трудностей повлекло за собой создание принципиально новой — квантовой — гипотезы атома.
Приведенные выше сериальные формулы были подобраны эмпирически и в течение длительного времени время не имели научного теоретического обоснования, хотя и были подтверждены с помощью экспериментов с очень большой точностью.
Постулаты Бора
Первая неудачная попытка выстроить качественно квантовую теорию атома предпринял исследователь Нильс Бор, который поставил перед собой задачу комплексно связать в единое целое все существующие эмпирические закономерности линейчатых принципов, ядерную модель строение атома Резерфорда и квантовый спектр излучения и поглощения световых лучей. В основу своей гипотезы физик положил два постулата.
Первый постулат Бора в виде системы стационарных состояний гласит, что в атоме существуют не изменяющиеся со временем состояния, в которых вещество не излучает энергии. Стационарным состояниям элемента соответствуют все элементарные орбиты, по которым непрерывно движутся электроны. Движение этих частиц по орбитам не может сопровождаться поглощением электромагнитных волн. В неизменном состоянии атома электрон, перемещаясь по круговой орбите, определяют квантованные дискретные значения определенного момента импульса, удовлетворяющие условию состояния простейшей частицы. .
Второй постулат Бора, известный под термином «правило частот» предполагает переход электрона с одной стационарной орбиты на другую, в ходе чего излучается только один фотон с энергией. Данная активность будет равняться показателю разности энергии соответствующих состояний и действий неизменных состояний атома до и после поглощения.
Спектр общего поглощения атома водорода считается линейчатым, однако включает в себя только серию Лаймана при определенных внешних условиях. Этот процесс также объясняется гипотезой Бора. Так как все свободные атомы водорода зачастую находятся в стационарном состоянии с наименьшей положительной энергией, то при перемещении к атомам извне конкретной энергии, могут наблюдаться только плавные переходы веществ из основного состояния в возбужденное.
