Model budowy atomu Bohra - model atomu wodoru autorstwa Nielsa Bohra. Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany przez jądro siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu".

Postulaty Bohra

Bohr, budując swój model atomu, przyjął dwa postulaty, bez których model ten nie byłby zgodny z doświadczeniem. Postulaty te miały w istocie charakter kwantowy, ale były wprowadzone ad hoc.

• Orbitalny moment pędu elektronu jest skwantowany. Może on przybierać dyskretne wartości

gdzie

n = 1,2,3...,

- stała Plancka podzielona przez 2π.

• Podczas zmiany orbity, której towarzyszy zmiana energii elektronu, atom emituje foton. Energia fotonu równa jest różnicy między energiami elektronu na tych orbitach

gdzie

E₂ i E₁ - energie elektronu, odpowiednio, końcowa i początkowa,

h - stała Plancka,

ν - częstotliwość fotonu.

Konsekwencje postulatów

Z postulatów tych wynika, że promienie orbit elektronu oraz energie elektronu na poszczególnych orbitach są również skwantowane. Promienie te, w szczególności promień atomu wodoru w stanie podstawowym, tzw. promień atomu Bohra, oraz energie można obliczyć z klasycznego przyrównania siły elektrostatycznej do siły dośrodkowej.

Zatem elektron może krążyć tylko po określonych orbitach zwanych stabilnymi (stacjonarnymi), ponadto - krążąc po tych orbitach - nie emituje promieniowania, mimo że z praw klasycznej elektrodynamiki wynika, że ładunek krążąc po orbicie stale powinien emitować promieniowanie elektromagnetyczne. W tym modelu promieniowanie jest emitowane tylko wówczas, gdy elektron zmienia orbitę.

Model Bohra, jakkolwiek będący sztucznym połączeniem mechaniki klasycznej i ograniczeń kwantowych, daje prawidłowe wyniki dotyczące wartości energii elektronu na kolejnych orbitach i promieni tych orbit w przypadku atomu wodoru i atomów pierwiastków wodoropodobnych.

Odrzucenie modelu Bohra

Mimo pozornej poprawności modelu zrezygnowano z niego, ponieważ zgodnie z elektrodynamiką klasyczną poruszający się po okręgu (lub elipsie), a więc przyspieszany, elektron powinien, w sposób ciągły, wypromieniowywać energię i w efekcie "spadłby" na jądro już po czasie rzędu 10^-6 sekundy. Fakt, że tak się nie dzieje, nie dawał się wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej. Model Bohra został ostatecznie odrzucony również ze względu na to, że nie dawało go się zaadaptować do atomów posiadających więcej niż dwa elektrony i nie można było za jego pomocą stworzyć przekonującej, zgodnej ze znanymi faktami eksperymentalnymi teorii powstawania wiązań chemicznych.

Pojęcie liczby kwantowej pojawiło się w fizyce wraz z odkryciem mechaniki kwantowej. Okazało się, że właściwie wszystkie wielkości fizyczne mierzone w mikroświecie atomów i cząsteczek podlegają zjawisku kwantowania, tzn. mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości. Na przykład elektrony w atomie znajdują się na ściśle określonych orbitach i mogą znajdować się tylko tam, z dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności. Z drugiej strony każdej orbicie odpowiada pewna energia. Bliższe badania pokazały, że w podobny sposób zachowują się także inne wielkości np. pęd, moment pędu czy moment magnetyczny (kwantowaniu podlega tu nie tylko wartość, ale i położenie wektora w przestrzeni albo jego rzutu na wybraną oś). Wobec takiego stanu rzeczy naturalnym pomysłem było po prostu ponumerowanie wszystkich możliwych wartości np. energii czy momentu pędu. Te numery to właśnie liczby kwantowe.

W zależności od wielkości, którą opisują, liczby kwantowe mogą przyjmować wartości całkowite dodatnie (np. energia), całkowite dowolnego znaku (np. moment pędu) lub ułamkowe (np. liczby związane ze spinem elektronu). Na gruncie mechaniki kwantowej liczby kwantowe odpowiadają określonym wartościom własnym i stanom własnym operatorów kwantowych, opisujących energię oraz inne własności układów kwantowych. Podanie odpowiedniego zestawu liczb kwantowych może w pełni scharakteryzować stan atomu.

Symbole liczb kwantowych są ustalone tradycją. Na przykład elektronowi w atomie wodoru lub wodoropodobnym (mającym tylko jeden elektron) przypisane są następujące liczby kwantowe:

• główna liczba kwantowa (n = 1,2,3...) opisuje energię elektronu, a w praktyce oznacza numer jego orbity (powłoki elektronowej),

• poboczna liczba kwantowa (l = 0,1,...,n − 1) oznacza wartość bezwzględną orbitalnego momentu pędu, którą obliczyć można używając relacji J² = l(l + 1)(h / 2π)², gdzie h jest stałą Plancka, a w praktyce oznacza numer podpowłoki, do której przypisany jest elektron,

• magnetyczna liczba kwantowa (m = − l,..., − 1,0,1,...,l) opisuje rzut orbitalnego momentu pędu na wybraną oś, którego długość oblicza się używając wzoru J_z = mh / 2π,

• spinowa liczba kwantowa s oznacza spin elektronu, stały dla danej cząstki elementarnej i w przypadku elektronu wynoszący 1/2 (ze względu na stałą wartość tej liczby kwantowej jest ona niekiedy pomijana),

• magnetyczna spinowa liczba kwantowa (m_s = − s,s = 1 / 2, − 1 / 2) pokazuje, w którą stronę skierowany jest spin, danej cząstki elementarnej (tu elektronu).

Analogiczną symbolikę stosuje się do opisu stanu elektronu w atomie wieloelektronowym, ale tam liczby te nie są liczbami kwantowymi w sensie ścisłym (np. orbitalny moment pędu pojedynczego elektronu nie ma ścisłego sensu fizycznego). Małymi literami (l, s) oznacza się liczby kwantowe opisujące stan jednego elektronu. Liczby kwantowe opisujące stany wieloelektronowe oznacza się wielkimi literami (L, S).

Podobny do podanego wyżej dla atomu zestaw liczb kwantowych konstruuje się opisując w kategoriach mechaniki kwantowej np. jądro atomowe. Liczby kwantowe występują we wszystkich dziedzinach fizyki wywodzących się z mechaniki kwantowej. Jako przykład może posłużyć fizyka cząstek elementarnych, w której cząstki klasyfikuje się, podając odpowiednie liczby kwantowe, które je charakteryzują.

---