Teoria de Bohr: Postulats, Espectre d'Hidrogen i Ampliacions

La Teoria de Bohr: Model Atòmic i Espectres

Què va fer Bohr?

El 1913, Niels Bohr va aplicar la teoria quàntica a l’àtom de Rutherford i va proposar un model per a l’àtom d’hidrogen que permet explicar-ne l’espectre d’emissió i d’absorció. Així, va elaborar una teoria fonamental per a la física atòmica.

Quins són els postulats de la teoria de Bohr?

• L’electró es mou entorn del nucli en certes capes o òrbites circulars anomenades nivells energètics principals o nivells quàntics principals.
• Mentre l’electró es mou en un mateix nivell energètic, no absorbeix ni emet energia: es diu que l’electró es troba en estat estacionari.
• L’energia total de l’electró en cada nivell energètic principal és la suma de la seva energia cinètica i de la seva energia potencial elèctrica.
• L’energia total de l’electró no pot tenir qualsevol valor, sinó certs valors permesos, ben determinats. Això equival a dir que l’energia està quantitzada.
• A cada nivell energètic principal li correspon un nombre natural n = 1, 2, 3, 4... anomenat nombre quàntic principal. El nivell més pròxim al nucli és el n = 1, al qual correspon una energia menor.
• Quan l’electró es troba en l’estat d’energia més baix possible, es diu que està en estat fonamental. En aquest estat, l’àtom és estable. Els altres estats s’anomenen estats excitats. L'àtom pot arribar a ionitzar-se si l'energia absorbida és suficient.
• Quan un electró passa d’un nivell quàntic de més energia a un altre de menys energia, no emet gradualment energia sinó d’un sol cop, de manera discontínua i quantitzada, en forma d’un fotó. El seu valor és igual a la diferència d’energies entre els dos nivells quàntics.
• El pas d’un electró d’un nivell a un altre d’energia s’anomena transició electrònica. L’energia emesa o absorbida en cada transició electrònica és igual a l’energia d’un quàntum o fotó.

Interpretació de l'Espectre d'Emissió de l'Hidrogen

Bohr va donar una explicació raonada per a la discontinuïtat dels espectres d’emissió de l’àtom d’hidrogen, mitjançant les transicions electròniques des d'uns nivells quàntics a uns altres, utilitzant les diferents sèries.

• Els electrons dels àtoms tenen diversos nivells d’energia.
• La transició entre dos nivells d’energia es realitza per absorció o emissió d’un fotó.

Ampliació de la Teoria de Bohr

La teoria de Bohr no només explica l’espectre de l’àtom d’hidrogen, sinó que es pot estendre a qualsevol element amb un sol electró, com ara els ions hidrogenoides He⁺, Li²⁺ o Be³⁺. No obstant això, no s'aplica de la mateixa manera amb els espectres dels àtoms polielectrònics.

Sommerfeld va ampliar els treballs de Bohr sobre l’àtom d’hidrogen i va admetre que, a més d’òrbites circulars, hi podien haver òrbites el·líptiques, també quantitzades. Va assignar a cadascuna un nombre quàntic. Aquest nombre s'anomena nombre quàntic secundari o azimutal i es representa amb la lletra l.

Zeeman, en analitzar la llum procedent d’una làmpada d’hidrogen situada dins d’un camp magnètic intens, va descobrir que certes ratlles espectrals es desdoblaven en unes quantes. Aquest fenomen és anomenat efecte Zeeman. Aquest efecte va permetre establir que les òrbites dels electrons tenen diferent orientació en l’espai. El nombre quàntic que determina l’orientació de les òrbites en l’espai s’anomena nombre quàntic magnètic i se simbolitza amb la lletra m.

En resum, els fets experimentals obliguen a modificar el model atòmic de Bohr perquè ens indiquen que l’estat energètic de l’electró no queda ben determinat únicament amb el nombre quàntic principal, sinó que per precisar l’estat energètic de l’electró en l’àtom d’hidrogen es requereixen quatre paràmetres, els quatre nombres quàntics.