Transcript: Postulatele Bohr.

În cea de-a patra lecție de fizică atomică vom discuta modelul Atomic Bore care se bazează pe rezultatele experimentelor Rutherford și Frank Hertz ce au fost discutate în lecțiile trecute.
Deci, haideți să sumarizăm concluziile experimentale pe care le-am tras în lecțiile trecute în legătură cu structura atomului.
Deci, începem cu ce am învățat sau ce am concluzionat din experimentul lui Rutherford.
Deci, experimentul lui Rutherford în principal are calitatea că a reușit să stabilească pentru prima dată structura atomului.
Mai exact, Rutherford a concluzionat că în centrul atomului se află un nucleu.
Că acest nucleu este foarte mic, adică el ocupă a 10.000 parte aproximativ din dimensiunea atomului.
Deci, poate fi considerat punctiform comparat cu dimensiunea atomului, deși el nu este punctiform, ci doar foarte mic comparat cu atomul.
El este masiv în sensul că aproape toată masa atomului se află concentrată în acest nucleu și are o sarcină electrică pozitivă,
adică este un multiplu de sarcina electrică elementară care se notează cu Z.
Deci, Z este un număr întreg care descrie sarcina electrică a nucleului.
Iar această sarcină electrică pozitivă, Z, este proporțională cu numărul atomic de masă A al atomului respectiv.
De asemenea, în structura unui atom se află electronii.
Electronii se rotesc pe orbite în jurul nucleului. Ei sunt punctiformi.
Particulele numite electroni sunt particule elementare. Asta înseamnă că nu au structură.
Deci, ei sunt realmente de dimensiune 0.
Au masă neglijabilă, nu 0. Masa electronilor nu este 0, dar este foarte mică comparată cu cea a nucleului.
Și au o sarcină electrică negativă, egală cu minus 1 mulțită cu sarcina electrică elementară.
Deoarece atomul este în totalitatea lui neutru, din punct de vedere al sarcinii electrice,
rezultă că numărul de electronici care se rotesc în jurul nucleului trebuie să fie egal cu sarcina electrică pozitivă a nucleului.
Nucleul este unul singur și, deci, plus Z trebuie să fie egal cu minus Z ca să dea 0.
Și, deoarece electronii au sarcina minus 1 în unități de sarcini electrice elementare,
atunci numărul lor trebuie să fie egal cu Z.
Toată această arhitectură a atomului, dacă doriți, este în echilibru datorită faptului că
forța atracțională electrostatică dintre electronii, fiecare electron și nucleu,
este egală cu forța centripetă.
Deoarece electronii se rotesc în jurul nucleului, știm că asupra lor acționează o forță centripetă
care îi trage în exterior,
dar avem și o forță de atracție electrostatică,
deoarece electronii au sarcină negativă și nucleul are sarcină pozitivă.
Aceste două forțe sunt egale și, din acest motiv, atomul este într-o stare de echilibru.
Adică aceste orbite electronice sunt în stare de echilibru.
Dacă vreți să desenăm pe scurt, situația stă conceptual.
Deci avem în centrul atomului un nucleu masiv, mare, cu masă mare, adică,
și cu sarcină electrică pozitivă, egală cu plus ze,
iar în jurul lui se află orbitele electronilor.
Deci electronii se află pe orbite, nu neapărat circulare.
Pot să fie și eliptice, să zicem, dar orbite închise.
Și ei se mișcă, se rotesc în jurul, deci aceștia sunt electronii, în jurul nucleului.
Deoarece sarcina lor este minus e, va exista o forță de atracție
între fiecare electron și nucleul atomului.
Totuși, după cum am discutat, experimentul Rutherford are o problemă fundamentală,
pentru care, la momentul respectiv, el nu a putut fi considerat ca modelul ultim al structurii atomului.
Acela este faptul că, conform teoriei clasice a electromagnetismului,
acești electroni care se rotesc pe orbite ar trebui să radieze unde electromagnetice cu un spectru continuu.
Orice sarcină electrică care se află într-o mișcare accelerată și, după cum știm din cinematica clasică,
orice mișcare curbilinie are o accelerație, deci, chiar dacă, să zicem, viteza, modulul vitezei este constant,
dacă direcția lui variază, atunci avem o accelerație, iar electromagnetismul clasic spune că
orice sarcină electrică aflată într-o mișcare accelerată va emite radiații electromagnetice,
sau unde electromagnetice, într-un spectru continuu.
Implicațiile acestei afirmații, acestui renunț, sunt o problemă fundamentală pentru acest model,
deoarece asta înseamnă că atomul ar trebui să fie instabil, electronii în mișcarea lor ar trebui să emită fotoni,
radiație electromagnetică, deci să piardă energie, motiv din care ei ar trebui să se apropie încet, încet de nucleu
și la un moment dat să cadă pe nucleu.
Deci, acest echilibru al modelului planetar, sau solar, al atomului rezultat din experimentul Rutherford este instabil.
Atomii nu pot rezista în starea asta de echilibru mult timp.
De asemeni, aceasta înseamnă că atomii emit radiație electromagnetică, dar că spectrele emise de atomii în modelul lui Rutherford
ar trebui să fie continue.
Pe când noi știm, am discutat în prima lecție de fizică atomică, știm foarte bine că spectrele de emisie ale atomilor sunt discrete.
Am vorbit despre spectrele de linii sau spectrele de bandă.
Deci, în concluzie, electromagnetismul clasic spune că acest model are probleme fundamentale.
Apoi am discutat despre experimentul Frank Hertz, care a stabilit că structura atomică este de tip cuantic.
Deci, am sumarizat pe scurt în câteva cuvinte care este descoperirea esențială din fiecare experiment.
Experimentul Rutherford a stabilit structura, dar nu a rezolvat mecanismul sau formalismul prin care această structura atomului este stabilă.
Experimentul Frank Hertz ne dă o soluție.
Și anume, el ne spune următoarele lucruri.
Că atomii absorbe energie doar în valori bine determinate, caracteristice fiecărui atom și nu continu.
În particular, în experimentul Frank Hertz, am văzut că se folosește un atom de mercur și că acest atom de mercur absorbea energie în multipli întregi.
N aici este un număr întreg, este unul, doi, trei și așa mai departe.
În multipli întregi de o constantă, sarcina electrică elementară, și o tensiune, 4,9V.
Deci, avem un spectru discret sau valori discrete ale energiei pe care o poate absorbi acest atom.
În concluzie, atomii au energia cuantificată.
În concluzie, structura atomică este de tip cuantic și nu este de tip clasic.
Valorile, în particular energia în cazul acesta, mărimile nu iau valori continui, ci valori discrete.
De asemenea, am văzut că după trecerea într-o stare excitată în urma primirii unei astfel de energii,
atomii revin imediat în starea de echilibru energetic, adică revin în starea neexcitată,
prin emisia unui foton, care are energie egală cu energiea absorbită.
În particular, în experimentul discutat lecția trecută,
atomii de mercur emiteau radiație sau undă electromagnetică cu această lungime de undă,
care, după cum am văzut, corespunde exact acestei energii absorbite.
În concluzie, cea de-a doua concluzie a experimentului este că emisia sau absorția de unde electromagnetici de către atomi
se face în mod discret, adică tot cuantificat.
În concluzie, structura atomică rezultă că este de tip cuantic și nu de tip clasic.
Aceasta este esențial pentru că experimentul Frank Hertz pur și simplu rezolvă, bineînțeles experimental, problema noastră,
și anume că orbitele sunt stabile, deoarece variația energiei lor nu este continuă, după cum electromagnetismul clasic ne spune,
iar spectrul este discret. Aceasta este cea de-a doua concluzie. Spectrul este discret.
În concluzie, experimentul Rutherford și modelul Rutherford este corect.
Ceea ce este incorrect, și deci într-un fel dacă vreți devine un fel de victimă colaterală a acestor experimente, este chiar teoria electromagnetismului clasic.
Cele două experimente combinate ne spun că nu ar trebui să încercăm să aplicăm electromagnetismul clasic în explicarea proprietăților atomilor.
Deci avem nevoie de o nouă teorie. Asta, bineînțeles, nu înseamnă că electromagnetismul clasic nu este corect.
El este, bineînțeles, corect. Ce înseamnă este că odată ce trecem la structuri microscopice, precum atom, molecule și așa mai departe,
ieșim din domeniul de aplicabilitate al electromagnetismului clasic și nu îl mai putem folosi.
El nu mai e valabil în această zonă a sistemelor fizice și ne trebuie o nouă teorie pentru a încerca să explicăm.
Și de aici a rezultat modelul cuantic al lui Bohr, care pur și simplu a postulat rezultatele celor două experimente,
a eliminat electromagnetismul clasic ca și model sau teorie pe baza căruia să se explice proprietățile atomilor
și a întemeiat o nouă teorie pe care o vom dezvolta în lecțiile viitoare, dar care se bazează pe două postulate.
Deci, postulatele lui Bohr sunt următoare.
Deci, după cum am spus, experimentele Frank, Hertz și Rutherford conduc la modelul atomic cuantic al lui Bohr,
care se bazează pe următoarele două postulate.
Postulatul numărul unu spune că atomii stau un timp îndelungat numai în stări bine determinate, numite stări staționare,
adică acele orbite ale electronilor, descriu aceste stări staționare, în care nu se emite și nu se absorbe energie.
Energia internă a atomilor în aceste stări e cuantificat, după cum am văzut din experimentul Frank, Hertz, și are valori într-un șir discret.
Deci, energia ia valori într-un șir discret, nu într-un interval continu de valori.
Iarăși, esența acestui postulat este că electronii și orbitele lor care definesc aceste stări staționare nu emit și nu absorbe energie.
Acesta este conflictul esențial cu electromagnetismul clasic.
În electromagnetismul clasic, enunțul pe care îl subliniez eu este imposibil.
Deci, pur și simplu, Bohr a postulat un fapt pe care experimentul l-a stabilit în mod clar, și anume experimentul Frank, Hertz.
Bineînțeles, cel de-al doilea postulat va postula cea de-a doua concluzie a experimentului Frank, Hertz,
și anume că atomii, când fac acest lucru, și anume absorb sau emit radiație, atunci o fac doar trecând dintr-o stare staționară într-altă stare staționară.
Deci nu o fac într-un mod continu.
În concluzie, frecvența radiației emise sau absorbită într-o asemenea tranziție este dată de o relație de felul următor,
adică energia fotonului, după cum știm, hν este energia fotonului,
deci a undei electromagnetice emise, va fi egală cu diferența, bineînțeles, dintre energiile celor două stări staționare.
Pur și simplu, acest postulat postulează spectrul discret măsurat al atomilor.
Deci revenind, ce a făcut Bohr?
A respins electromagnetismul ca teoria corectă pentru ce poate fi folosită în domeniul particolulor de tip atomi sau molecule
și a postulat cele două rezultate concrete sau principale ale experimentului Frank Hertz în aceste două postulate,
și pornind de la ele, a stabilit o nouă teorie, o teorie de tip cuantic a atomului, pe care o vom dezvolta și noi în lecțiile viitoare.