Kaasaegne ja Bohri aatomimudel (8)

Bohr

• Rutherfordi planetaarse aatomimudeli suurim viga on see, et ta on õige üksnes mittekiirgava aatomi korral
  
• 1913. a. muutisTaani füüsik Niels Bohr selle vastuolu seaduseks, sõnastades oma esimese postulaadi: Elektronid võivad aatomis liikuda ainult kindlatel statsionaarsetel orbiitidel . Sellisel orbiidil liikudes elektron ei kiirga. ->
  
• Selleks, et aatom kiirgaks, peab elektron orbiiti vahetama (2. postulaat ): Üleminekul ühest statsionaarsest olekust teise aatom kiirgab või neelab energiakvandi.
  
• 3. postulaat: Aatomi statsionaarsetele olekutele vastab elektroni tiirlemine teatud kindlatel orbiitidel
  

Kaasaegne aatomimudel

• Tuuma ümber liikuvad elektronid moodustavad elektronpilved, mille erinevates osades on elektroni leiutõenäosus erinev
  
• Elektronpilve piire , järelikult ka aatomi mõõtmeid, ei ole võimalik täpselt määrata
  
• Mitmeelektronkihiliste aatomite elektronkate on kihiline
  
• Erinevate elektronkihtide ja alakihtide täitumine toimub vastavuses Pauli keeluprintsiibiga ja energia miinimumi printsiibiga
  

Bohri aatomimudel eeldab, et planetaarne aatom omab kindla energiaga statsionaarseid ehk ajas muutumatuid olekuid . Statsionaarses olekus aatom elektromagnetlaineid ei kiirga (Bohri I postulaat). Aatom kiirgab või neelab elektromagnetlaineid siirdel ühest statsionaarsest olekust teise  (Bohri II postulaat). Bohri aatomimudeli katseline alus on aatomi kiirgusspektri joonte paiknemine seeriatena.
11.1. Valguse kiirgumine ja neeldumine (Bohri mudel)
Esimesena kirjeldas aatomis toimuvaid protsesse Nils Bohr 1913.a., kes kasutas selleks
osalt klassikalisi ettekujutusi, näiteks elektroni trajektoor.
Ta esitas oma postulaadid, tuginedes vesiniku kiirgusspektri analüüsile:
1) Lõpmatust hulgast elektroni orbiitidest, mis on lubatud klassikalise mehaanika
reeglite järgi, realiseeruvad vaid mõned kindlaile energiaile vastavad orbiidid .
Need on nn. statsionaarsed orbiidid, kus elektron tiirleb energiat kiirgamata.
2) Elektroni üleminekul ühelt statsionaarselt orbiidilt teisele aatom kiirgab või
neelab kindla sagedusega elektromagnetilist kiirgust. Kui orbiitidele vastavad
energiad on E
n
ja E
k
, siis kiiratava või neelatava valguskvandi energia avaldub
hf = E
k
– E
n
. Energia on määratud täisarvuga n, mida nimetatakse
peakvantarvuks.
Joonisel on toodud vesiniku aatomi esimesed orbiidid ja valguse kiirgumine ja
neeldumine vesiniku aatomis.
Bohri teooria seletas hästi küll vesiniku kiirgusspektrit, aga mitte teiste elementide omi.
Hilisemad täpsemad aatomimudelid , mis kasutavad rohkem kvantarve ja teisi mõisteid
kui Bohr kinnitavad, et Bohri poolt arvutatud elektronide orbiitide raadiused
on kõige tõenäosemad kaugused tuumast ja elektronide energia oleneb ka teistest
suurustest, mida nimetatakse orbitaalkvantarvuks, magnetkvantarvuks ja spinniks. On
kindlaks tehtud, et ühes aatomis ei saa olla kahte elektroni täpselt ühesuguste
kvantarvude komplektiga. Seda printsiipi nimetatakse tõrjutusprintsiibiks ehk Pauli (W.
Pauli) printsiibiks. Aga jutt elektroni hüpetel tuumale lähemale või sealt kaugemale ja
sellega kaasnevast energia kiirgumisest või neeldumisest vastab tõele.
Valguse kiirgumine ja neeldumine
Valgus kiirgub ja neeldub aatomis. Valguslaine muutuv elektriväli sunnib aatomis olevat
elektroni võnkuma, suurendades nii selle energiat. See tähendab, et valgus neeldus
aatomis: valguslaine energia muutus elektroni ja tuuma vastastikmõju energiaks . Kui
elektroni energia suureneb, siis elektron läheb tuumast kaugemale. Seda protsessi
nimetatakse ergastamiseks. Siin on analoogia mehaanilise potentsiaalse energiaga: mida
suurem on keha potentsiaalne energia, seda kõrgemal Maa kohal keha asub. Selleks, et
keha tõsta mingile kõrgusele, peavad välisjõud tööd tegema. Aatomis olevat elektroni
võib võrrelda ka sulguriga uksega. Kui ukse lahti lükkame, teeme tööd ja suurendame
ukse energiat (analoogia valguse neeldumisega). Aga kui me ukse lahti laseme, siis see
liigub sulguri toimel tasakaaluasendisse tagasi. Nii juhtub ka elektroniga, ka see liigub
varsti oma esialgsele kohale, mis asus tuumale lähemal, tagasi. Selle protsessi käigus
kiiratakse välja uus valguslaine. Järelikult valgus kiirgub ja neeldub aatomites .
Aga elektron ei saa asuda suvalisel kaugusel tuumast, vaid ainult kindlail kaugustel
Sellepärast ei neela ja kiirga ka aatomid suvalise värvusega valgust.
See aitab mõista ka kehade värvusi. Tahked ained ja vedelikud võivad neelata osa neile
langevaist valguslainetest ja muuta nende lainete energia keha siseenergiaks .
Ei neeldu seda värvi valguslained , millist värvi keha ise on valges valguses. Need lained
peegelduvad tagasi. Sellist peegeldumist nimetatakse valikuliseks ehk selektiivseks
peegeldumiseks.
Üldiselt võib öelda, et kui aine aatomites elektronid saavad sooritada igasuguseid
üleminekuid, millega kaasneb valguse kiirgumine, siis on keha valge. Kui aine aatomites
elektronid ei saa sooritada kõiki üleminekuid, millega kaasneb valguse kiirgumine, siis
on keha värviline. Kui aine aatomites elektronid ei saa sooritada ühtegi üleminekut,
millega kaasneb valguse kiirgumine, siis on keha must.
Gaasides toimub valguse kiirgumine teisiti kui tahketes ainetes. Näiteks Na-lambis
(kollane tänavalatern) tekib valgus sellepärast, et aatomid saavad energiat põrgetel
elektrivoolu tekitavatelt elektronidelt ja ioonidelt. Selle tulemusena elektronid ergastuvad
ja tekib kiirgus. Aatomid asuvad gaasis üksteisest kaugel ja saavad teistest segamatult
kiirata. Valgus tekib siis, kui elektron tuleb tuumale lähemale. Kuna elektron saab olla
ainult mingitel kindlatel kaugustel tuumast, siis on ka spektris ainult mingite kindlate
värvustega jooned, millele vastab kindel lainepikkus . Hõõguvad gaasid annavad
joonspektri, mis lubab aineid kindlaks teha. Ainete määramist nende spektrite järgi
nimetatakse spektraalanalüüsiks.
Tahkes aines saavad aatomites olevad elektronid energiat teisiti. Näiteks hõõglambis
voolu toimel eralduv soojus paneb ioonid kiiremini võnkuma (suureneb ioonide energia).
Osa sellest energiast antakse elektronidele, mis eemalduvad tuumast ja kui nad tulevad
tuumale lähemale, siis kiirgubki valgus.
Miks nüüd ei kiirga aatomid kindla värvusega valgusi? Kiirgab küll, ainult nüüd pole
aatomid isoleeritud, st pole üksteisest sõltumatud. Mida see tähendab? See tähendab, et
elektronide energianivood ei ole igas aatomis täpselt sellised nagu nad üksikus,
“normaalses” aatomis. Teiste aatomite elektronide laengud nihutavad natuke
vaadeldava elektroni kaugust tuumast ja see muudab elektroni energiat. Miks? Sest
elektronid on laetud osakesed. Me teame, et kui laetud kehale lähendada teine sama
laenguga keha, siis tekib nende vahel tõukejõud ja kehad nihkuvad teineteisest
kaugemale. Nii on ka elektronidega aatomis: nende kaugus tuumast muutub teiste
aatomite toimel. Kui aga muutub kaugus tuumast, muutub ka elektroni energia. Asja teeb
veel keerulisemaks soojusliikumine : naaberaatomid lähenevad ja kaugenevad juhuslikult
ja kogu aeg! Ja elektron võib ergastatud olekus minna üle hoopis teisele aatomile. Ja
kuna aatomeid on metalli 1 cm
3
ca 10
23
tükki, siis kiirgub väga palju erineva
lainepikkusega valguslaineid, mis annavad pideva spektri. Pidev spekter on omane
hõõguvatele vedelikele ja tahkistele.
3