Modelul atomic al lui Sommerfeld: Caracteristici, postulate și limite

Modelul atomic al lui Sommerfeld este o versiune îmbunătățită a modelului Bohr, în care comportamentul electronilor se explică prin existența unor niveluri diferite de energie în interiorul atomului. Arnold Sommerfeld a publicat propunerea sa în 1916, explicând limitările acestui model aplicând teoria relativității lui Einstein.

Fizicianul german restante a descoperit că la unii atomi electronii au atins viteze apropiate de viteza luminii. Având în vedere acest lucru, el a ales să își bazeze analiza pe teoria relativistă. Această decizie a fost controversată pentru moment, deoarece teoria relativității nu a fost încă acceptată în comunitatea științifică până atunci.

În acest fel, Sommerfeld a contestat preceptele științifice ale timpului și a dat o altă abordare modelării atomice.

caracteristici

Limitările modelului atomic Bohr

Modelul atomic al lui Sommerfeld apare pentru a perfecționa deficiențele modelului atomic Bohr. Propozițiile acestui model, cu accente largi, sunt următoarele:

- Electronii descriu orbite circulară în jurul nucleului, fără a radia energia.

- Nu toate orbitele au fost posibile. Numai orbite sunt activate, ale căror unghi unghiular al electronului îndeplinește anumite caracteristici. Este de remarcat faptul că impulsul unghiular al unei particule depinde de un compendiu al tuturor mărimilor (viteză, masă și distanță) față de centrul rotației.

- Energia eliberată atunci când un electron coboară dintr-o orbită în alta este emis sub forma unei energii luminoase (foton).

Deși modelul atomic al lui Bohr a descris perfect comportamentul atomului de hidrogen, postulatele acestuia nu au putut fi replicate la alte tipuri de elemente.

La analizarea spectrelor obținute din atomi de elemente, altele decât hidrogen, sa descoperit că electronii localizați la același nivel de energie ar putea conține energii diferite.

Astfel, fiecare dintre bazele modelului a fost refutabilă din perspectiva fizicii clasice. În lista următoare sunt detaliate teoriile care contravin modelului, conform numerotării anterioare:

- În conformitate cu legile electromagnetice ale lui Maxwell, toate încărcăturile supuse unei anumite accelerații emit energie sub formă de radiații electromagnetice.

- Având în vedere poziția fizicii clasice, era de neconceput ca un electron să nu poată orbita liber la orice distanță de nucleu.

- Până atunci, comunitatea științifică a avut o convingere fermă cu privire la natura valurilor luminii, iar ideea că ea este prezentă ca o particulă nu a fost avută în vedere până atunci.

Contribuția lui Sommerfeld

Arnold Sommerfeld a concluzionat că diferența de energie între electroni - chiar dacă se aflau la același nivel de energie - se datorează existenței unor sub-niveluri de energie în fiecare nivel.

Sommerfeld sa bazat pe Legea lui Coulomb pentru a afirma că dacă un electron este supus unei forțe invers proporționale cu pătratul distanței, calea descrisă trebuie să fie eliptică și nu strict circulară.

În plus, se baza pe teoria relativității lui Einstein de a da un tratament diferit la electroni și de a evalua comportamentul lor bazat pe vitezele atinse de aceste particule fundamentale.

experiment

Utilizarea spectroscopiilor de înaltă rezoluție pentru analiza teoriei atomice a evidențiat existența unor linii spectrale foarte fine pe care Niels Bohr nu le-a detectat și pentru care modelul propus de el nu a oferit o soluție.

Având în vedere acest lucru, Sommerfeld a repetat experimentele de descompunere a luminii în spectrul său electromagnetic prin utilizarea electrozelor de generație următoare de atunci.

Din investigațiile sale, Sommerfeld a dedus că energia conținută în orbita staționară a electronului depinde de lungimile semiaxelor elipselor care descriu această orbită.

Această dependență este dată de coeficientul care există între lungimea axei semimajor și lungimea axei semimajoare a elipsei, iar valoarea sa este relativă.

Prin urmare, atunci când un electron se schimbă de la un nivel de energie la altul mai mic, orbite diferite pot fi activate în funcție de lungimea axei semimajor a elipsei.

În plus, Sommerfeld a observat de asemenea că liniile spectrale se desfășurau. Explicația pe care omul de știință a atribuit-o acestui fenomen a fost versatilitatea orbitelor, deoarece acestea ar putea fi fie eliptice, fie circulare.

În acest fel, Sommerfeld a explicat de ce liniile spectrale subțiri au fost apreciate la efectuarea analizei cu spectroscopul.

postulate

După câteva luni de studii aplicând legea lui Coulomb și teoria relativității pentru a explica deficiențele modelului Bohr, în 1916 Sommerfeld a anunțat două modificări de bază privind modelul menționat:

- Orbitele electronilor pot fi circulare sau eliptice.

- Electronii ating viteze relativiste; adică valori apropiate de viteza luminii.

Sommerfeld a definit două variabile cuantice care permit descrierea momentului orbital orbital și a formei orbitalului pentru fiecare atom. Acestea sunt:

Numarul cuantum principal "n"

Cuantificați axa semimajor a elipsei descrisă de electron.

Numărul secundar cuantum "I"

Cuantificați semiaxisul minor al elipsei descrise de electron.

Această ultimă valoare, cunoscută și sub denumirea de număr quantum azimutal, a fost desemnată cu litera "I" și dobândește valori cuprinse între 0 și n-1, unde n reprezintă numărul cuantic al atomului.

În funcție de valoarea numărului quantum azimutal, Sommerfeld a desemnat diferite denumiri pentru orbite, după cum este detaliat mai jos:

- l = 0 → S. orbitale

- l = 1 → principal orbital orbital p.

- l = 2 → orbital orbital difuz d.

- I = 3 → orbital orbital fundamental f.

În plus, Sommerfeld a indicat că nucleul atomilor nu era static. Conform modelului propus de el, nucleul și electronii se mișcă în jurul centrului de masă al atomului.

limitări

Principalele deficiențe ale modelului atomic al lui Sommerfeld sunt următoarele:

- Presupunerea că impulsul unghiular este cuantificat ca produs al masei prin viteza și raza de mișcare este falsă. Momentul angular depinde de natura valului de electroni.

- Modelul nu specifică ce declanșează saltul unui electron de la o orbită în alta și nici nu poate descrie comportamentul sistemului în timpul tranziției electronului între orbite stabile.

- În conformitate cu preceptele modelului, este imposibil să se cunoască intensitatea frecvențelor emisiilor spectrale.