Kiedy
Kirchoff i Bunsen stworzyli analizę widmową, zaczęto badać widma
różnych pierwiastków, w tym oczywiście, najlżejszego ze
wszystkich, wodoru.
W
roku 1885 nauczyciel ze szkoły dla dziewcząt w Bazylei, Johan
Balmer, rozszyfrował matematyczną prawidłowość, ukrytą w widmie
tego pierwiastka - długości fali odpowiadającej kolejnym liniom
widmowym, spełniającą prosty wzór:
wyrażający
długości fal świetlnych odpowiadającym kolejnym liniom widmowym
wodoru.
gdzie:
λ
- długość fali danej linii widmowej,
A
- granica serii Balmera - max częstotliwość pochłaniana/emitowana
przez atom wodoru w tej serii (A=364,57 nm),
n
= szereg kolejnych liczb całkowitych 3, 4, 5, 6....
Wzory Balmera były, jak niektórzy przeciwnicy kwantów żartobliwie sadzą, skutkiem zabawy w liczby ich autora i nie miały dla niego ani dla innych żadnego znaczenia fizycznego. Ale byli też tacy, co docenili geniusz, Balmera, dzięki któremu możemy znaleźć położenie każdej z linii widmowych atomu wodoru. Dało to informację, że światło w atomach rozchodzi się w porcjach.
Model atomu Bohra
Przełomem
stało się odkrycie W 1913r. przez Bohra odpowiedniości między wzorami
widmowymi Balmera a budową atomu proponowaną przez niego. Kiedy
Hansen zwrócił uwagę Bohra na te wzory, ten doznał olśnienia.
Uświadomił sobie związek promieniowania atomu z jego budową i tym
samym zyskał doświadczalne potwierdzenie dla swojego przyszłego
modelu atomu wodoru. Można by rzec, że fizyka kwantowa chwilami
odkładała na bok postulat zrozumiałości Natury, ale jednocześnie
potwierdziła mocno przekonanie o jej matematyczności.
Bohr,
budując swój model atomu wodoru, przyjął trzy postulaty, bez
których model ten nie byłby zgodny z doświadczeniem.
Postulat pierwszy: elektron przeskakujący z jednej orbity na drugą wydziela lub pochłania porcję energii
Ef = hν =E2 – E1
Postulat drugi: elektron porusza się po orbicie kołowej opisywaną przez mechanikę klasyczną Newtona. Elektron może krążyć tylko po określonych orbitach zwanych stacjonarnymi. W tym modelu promieniowanie jest emitowane tylko wówczas, gdy elektron zmienia orbitę.
Postulat trzeci: moment pędu elektronu na orbicie jest skwantowany i proporcjonalny do liczby kwantowej n i wynosi:
L = nh/2π = nh
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.

Spin elektronu
Zauważono,
że linie widmowe składają się dodatkowo z dwóch bardzo blisko
leżących, znacznie bliżej niż dla dwóch sąsiednich orbit, linii
widmowych.
Dopiero
dwaj duńscy fizycy Uhlenbeck i Goudsmit wyjaśnili
to zjawisko. Stwierdzili oni, że elektron nie tylko krąży dookoła
jądra ale również obraca się
wokół własnej osi. Elektron
może wirować w
jedna lub drugą stronę. Wytwarza on prąd kołowy płynący zgodnie
z kierunkiem obrotu. Prąd ten wytwarza pole magnetyczne zgodne lub
przeciwne do pola wytworzonego przez elektron poruszający się po
orbicie. Pole to dodaje lub odejmuje się od niego. Elektron
wytwarzający pole przeciwne ma nieco mniejszą energię niż ten
wytwarzający pole zgodne. Następuje wiec rozczepienie linii widma.
Do oznaczania kierunku wirowania elektronu stosuje się spinowa
magnetyczna liczbę kwantową – spin może wynosić +
½ lub -
½ . Powoduje to obserwowane
rozczepienie linii widmowych na dwie bardzo bliskie sobie linie.
Zakaz Pauliego
W
1925 roku Wolfang Pauli
(1900-1958) ogłosił regułę
zwaną zakazem Pauliego,
zgodnie z którą w atomie nie może być dwóch elektronów w tym
samym stanie. To znaczy, że w atomie nie może być dwóch
elektronów o takich samych czterech liczbach kwantowych ( n,
l, ml,
mS ).
Spin
elektronu
Badania
widm atomowych dostarczyły cennych informacji o strukturze atomu i w
historii rozwoju fizyki atomowej odegrały niezwykle ważną rolę.
Stanowiły eksperymentalne potwierdzenie słuszności modelu Bohra w
odniesieniu do wodoru. Na tym jednak nie zakończyła się rola
analizy struktury widm optycznych. Bardziej precyzyjne obserwacje
pokazały, ze linie początkowo uważane za pojedyncze składają się
w rzeczywistości z kilku linii. Nazwano to strukturą subtelną
widm.
Zagadkowe
okazały się wyniki doświadczenia Sterna i Gerlacha. W 1922roku
Stern i Gerlach wykonywali pomiary, których zamiarem był pomiar
magnetycznego momentu dipolowego atomów srebra.

W
tym celu przepuszczali wiązkę neutralnych elektrycznie atomów
srebra przez obszar silnego niejednorodnego pola magnetycznego
prostopadłego do kierunku wiązki. Ilustruje to powyższy rysunek,
gdzie symbolem Ag oznaczone
jest źródło emisji atomów srebra a ∇B⃗
oznacza kierunek zmiany pola magnetycznego. Symbolizuje to również
nasilający się ku górze kolor niebieski w obszarze pola. Wiązka
była neutralna więc rozumieli oni, że odchylenie może nastąpić
jedynie wskutek istnienia orbitalnego momentu magnetycznego.
Stern
i Gerlach zaobserwowali rozszczepienie wiązki na dwa prążki,
jeden odchylony w gorę, drugi w dół. Środek odpowiadający
brakowi odchylenia pozostawał pusty. Z ich oszacowań wynikało, że
odchylenie powinno być proporcjonalne do składowej µz momentu
magnetycznego, która z kolei proporcjonalna jest do
składowej Lz orbitalnego
momentu pędu. Liczba prążków powinna odpowiadać liczbie
ustawień względem osi Z wektora
momentu orbitalnego. Zawsze jednak powinien być prążek wiązki
nieodchylonej, odpowiadający wartości ml równej
zeru. Tymczasem takiego prążka nie było. Wykonano wiele wariantów
doświadczenia, ale jego wynik pozostawał zawsze niezrozumiały przy
próbie interpretacji za pomocą tylko orbitalnego momentu
magnetycznego.
Doświadczenie
pokazało że cząstka ma moment magnetyczny, ma spin i
jest on skwantowany.
Niejednorodne pole magnetyczne ma tę
własność, że odchyla wiązkę cząstek z momentem
magnetycznym µz w
kierunkach swojego działania (u nas: osi z).
Gdyby spin nie
istniał, wiązka nie byłaby odchylona.
Gdyby spin nie był
skwantowany, wiązka odchylana byłaby pod dowolnymi
kątami.
Otrzymano jednak zaskakujący obraz. Wiązka została
odchylona tylko pod dwoma kątami (w przeciwne strony), co odpowiada
2 możliwym rzutom spinu 1/2 na oś z.
Istnienie spinu i jego
skwantowanie stały się faktami eksperymentalnymi.
Pierwsze
przesłanki dla teoretyków, świadczące że elektrony w atomach
czymś się różnią, pojawiły się w 1924 roku w związku z
zakazem Pauliego).

Pauli
stwierdził, że 2 elektrony nie mogą pojawić się w identycznym
stanie kwantowym, podczas gdy wiadomo już było, że w orbitalu
atomowym mogą one występować parami.
Pauli nazwał to coś
"dwuwartościowym stopniem swobody".
W
1925 roku Ralph Kronig zasugerował, że ów stopień swobody
związany jest z rotacją elektronu wokół własnej osi.
W
tym samym 1925 roku, również Goudsmit i Uhlenbeck wystąpili z
sugestia istnienia jeszcze jednej liczby kwantowej przypisanej
elektronowi. Liczba ta wiązałaby się z momentem pędu elektronu
wynikającym z jego obrotu wokół własnej osi. Taki własny moment
pędu nazwano spinem. Tym samym uznano, że elektron jest
dipolem magnetycznym o momencie magnetycznym µz = µe =
- 9284,76 x
10−27 [J/T]
Możemy
sobie wyobrazić spin jako wirowanie całej cząstki (może kuli?)
wokół osi przechodzącej przez jej środek.
Linie
pola magnetycznego wokół elektronu jako dipola magnetycznego.
Dzisiejsi
fizycy uważają, że traktowanie spinu, wynikającego z momentu
obrotowego, jest nieuzasadnione.
Uzupełniona teoria Bohra opisywała w sposób bardzo dobry obserwowane widma atomu wodoru i atomów wodoropodobnych (np. He+). Opisywała budowę atomów, orbity elektronów. Odnosiła wiec liczne sukcesy. Linie główne powstają dzięki zajmowania przez elektron różnych orbit (określonych liczbą n). Linie te składają się z kilku linii leżących blisko siebie odpowiadających różnym kształtom orbit (określoną liczbą l).
W polu magnetycznym linie ulęgają rozczepieniu co wynika z zajmowaniem przez orbity określonych orientacji płaszczyzn w przestrzeni. Dodatkowo, elektron krążący po orbicie, może obracać się wokół swej osi w dwie strony. Powoduje to rozbicie linii widmowych na dwie sąsiadujące linie.Jednakże wynikający
z doświadczenia Rutherforda model atomu Bohra, zbudowanego z ujemnych
elektronów rozmieszczonych wokół dodatnich jąder atomowych, był niezrozumiały dla większości fizyków. Mówili że, poruszający
się po okręgu elektron, wg prawa
Coulomba, powinien "spaść"
na jądro a na dodatek wg elektrodynamiki klasycznej, już po czasie
rzędu 10–6 sek. wypromieniowywać
dodatkowo energię. Zadawano sobie pytanie, dlaczego elektrony mogą krążyć wokół jądra tylko po pewnych dozwolonych orbitach?
Nie
biorą jednak pod uwagę, że w powstałym kiedyś atomie wodoru,
elektron to nie zwykła kulka materii ale specyficzna cząstka obdarzona ładunkiem ujemnym o liczbie kwantowej. Liczba ta wiąże się z momentem pędu elektronu wynikającym z jego obrotu wokół własnej osi. Taki własny moment pędu nazwano spinem. Tym samym uznano, że elektron jest dipolem magnetycznym o momencie magnetycznym µz = µe = - 9284,76 x 10−27 [J/T]
Możemy sobie wyobrazić spin jako wirowanie całej cząstki (może kuli?) wokół osi przechodzącej przez jej środek.
Linie pola magnetycznego wokół elektronu jako dipola magnetycznego.
Na dodatek elektron został wyrzucony z przekształcającego się neutronu z
określoną prędkością wg poniższej zależności:
i
krąży nadal wokół jądra, mając przy tym określone przyspieszenie
odśrodkowe, równoważące całkowicie przyciąganie culombowskie.
Ponadto,
w świecie atomów i cząstek subatomowych, obowiązują prawa fizyki
kwantowej. Nazwa pochodzi od
słowa kwant,
oznaczającego określoną porcję. Według fizyki
kwantowej energia jest przekazywana
w kwantach o
wielkości określonej dla danego układu, a nie w porcjach
dowolnych.
Dlatego atomy są
trwałe.
Ale fizycy uznali, że traktowanie spinu, wynikającego z momentu obrotowego, jest nieuzasadnione.
Obliczyliśmy,
że na pierwszej orbicie o promieniu
r1 =
5,295*10^(-11) [m]
jest
moment pędu
L1 =
Mp1 =
m*v1*r1 =
1*h
Widać
wyraźnie, jak na dłoni, że elektron nie może spaść, bo ten
moment pędu
L1 =
Mp1 =
m*v1*r1 =
1*h
i
nie może być mniejszy od 1*h,
bo to jest najmniejsza porcja w Naturze.
Wzrost
moment pędu jest natomiast na zewnątrz.
Powyżej 1*h można
więc podskoczyć ale poniżej 1*h nie
zejdziesz.
I tego większość
fizyków nie może zrozumieć.
Atom
jest to układ doskonały stworzony przez Naturę. Znaczy się nie
promieniuje, bo nie porusza się z przyspieszeniem, ale jednostajnie bez oporu, na wzór planet krążących wokół Słońca. One też krążą bez też oporu i choć są przyciągane inaczej, bo grawitacyjnie, to też nie
spadają. Mi tu wszystko pasuje i nic nie
dziwi.
Wyobrażenie
o „barierze" odgradzającej elektrony od jądra atomowego daje
też, gdy spojrzymy na atom wodoru jeszcze z innego kierunku.
Atomu wodoru jako najprostszy, zbudowany jest z jednego protonu i
jednego elektronu.
Jest
on bardzo trwały i nie ma żadnej skłonności do przekształcania
się w neutron, co byłoby skutkiem połączenia elektronu z
protonem:

Przy
rozpadzie neutronu wydziela się energia, przekazywana m. inn:
elektronowi, więc proces odwrotny, synteza neutronu z protonu i
elektronu, wymagałby m. inn: wstrzyknięcia z powrotem tej energii
układowi, by on mógł wrócić do pierwotnej postaci. A to jest
praktycznie niemożliwe. Dlatego atom wodoru nie przekształca się nigdy w
neutron. Widzimy, zatem, że nadmierne zbliżenie elektronu do
protonu jest niemożliwe również ze względów energetycznych.
Mi,
osobiście, model planetarno-kwantowy atomu wodoru, bardzo odpowiada
i nie widzę żadnych powodów, by go odrzucać. Wygląda na to, że
spin elektronu nie odgrywa roli w wielkości promienia orbity i
prędkości elektronu.
Natomiast,
jeśli chodzi o atomy wieloelektronowe, to jestem przekonany, że
przewijają się tam dodatkowe kwestie nieobecne w atomie wodoru. Rządzą tam
dodatkowe prawa m. inn. ewentualnie odpychaniem powłok
elektronowych, sprawa jest bardzo złożona i wodór podług nich
jest stosunkowo prosty.
Uważam,
że elektrony, już bardziej zespołowo, w sprzężeniu, może
całymi powłokami krążą
wokół jądra. No, bo jakże by inaczej. Też nie radialnie, jak
niektórzy spekulują, a już na pewno nie stoją w miejscu.
Wszystko
bowiem, jak mawiał Heraklit z Efezu, płynie, nie stoi w miejscu,
jest w ciągłym ruchu - panta rhei kai ouden mene.
Odrzucenie
modelu Bohra.
Orzeknięto,
że postulaty Bohra choć miały w istocie charakter kwantowy ale
były wprowadzone ad hoc.
Dalej
mówi się, że model atomu wodoru Bohra jest błędny i nieoparty na
żadnych konkretnych przesłankach fizycznych.
Inna,
rzekoma trudność modelu Bohra, to to, że atom, wg Bohra, jest
... PŁASKI.
Zrezygnowano,
więc z niego, orzekając poprawności
modelu, jako pozorną,
ponieważ, rzekomo, zgodnie z elektrodynamiką klasyczną poruszający
się po okręgu elektron powinien, w sposób ciągły, wypromieniowywać
energię i w efekcie
"spaść"
na jądro już po czasie rzędu 10–6 sekundy.
A że tak się nie dzieje, nie
potrafili wytłumaczyć. Odrzucili więc
go i na gruncie dualizmu korpuskularno-falowego wymyślili „nową”
teorię i zbudować model na niej oparty.
W
bardzo uznanym Berkeleyowskim Kursie Fizyki, Tom IV, E.H. Wichman,
„Fizyka kwantowa” na str.54 czytamy: Planetarnego
modelu atomu nie należy traktować poważnie; w rzeczywistości jest
on zupełnie zły. To, że tak dobrze „działa”
w szczególnym przypadku atomu wodoru jest szczęśliwym (i zarazem
nieszczęśliwym) zbiegiem okoliczności. Nieszczęśliwym, gdyż
sugeruje ludziom, że atom jest czymś podobnym do układu
słonecznego.
Dzisiaj
mówi się jednoznacznie, że z punktu widzenia współczesnej
mechaniki kwantowej model atomu Bohra i jego teoria są błędne
nieoparte na żadnych konkretnych przesłankach fizycznych. Wg mnie,
jest to dziwne tłumaczenie, że elektron powinien "spaść"
na jądro już po czasie rzędu 10–6 sekundy. Ci, co tak twierdzą,
dają do zrozumienia, że jeszcze nie wiele rozumieją.
Ponieważ
nigdzie nie spotkałem wyprowadzenia postulatu Bohra a tylko jego
ostateczną postać i jak się oficjalnie mówi, przyjęty ad
hoc, postanowiłem wyprowadzić
sobie końcową zależność by się samemu przekonać o jego
słuszności bądź nie.
I
mnie nie ten model Bohra, ze swymi postulatami przekonał, gdy
korzystając z 1-szego postulatu,
Ef =
hν =E2 –E1
wyprowadziłem
sobie 3-ci postulat Bohra.
L
= nh/2π = nh
Pełne
wyprowadzenie 1-szego postulatu Bohra dla atomu wodoru
Ponieważ
nigdzie nie spotkałem wyprowadzenia postulatów Bohra a tylko ich ostateczną postać i jak się oficjalnie mówi, przyjęte ad
hoc, postanowiłem wyprowadzić
sobie ich końcowe zależności by się samemu przekonać o ich słuszności bądź nie.
Korzystając z 1-szego postulatu,
Ef =
hν =E2 –E1
wyprowadziłem
sobie 3-ci postulat Bohra.
L
= nh/2π = nh

Siła
odśrodkowa:
F
= m *v^2/r
i
jest równa sile oddziaływania elektrostatycznego, więc:
m*v^2/r
= e^2/4π*ε0*r^2
Powyższą
równość przekształcamy do postaci na Ekin
Energia
kinetyczna układu elektron - proton będzie:
Ek =
m*v^2/2 = e^2/8π*ε0 *r
Energia
potencjalna układu elektron - proton jest dana równaniem:
Ep
= - e^2/4π*ε0 *r
Całkowita
energia układu będzie E = Ek +
Ep
E
= Ek +
Ep
= e^2/8π*ε0 *r
+ [- e^2/4π*ε0 *r]
= - e^2/8π*ε0*r
E
= - e^2/8π*ε0 *r = Rjon =
-13, 6 [eV] =
E1 =
-13,6 eV = =
-21,8*10^(-19) [ J] = -2,18*10^(-18)
[ J]
i
z tego wyznaczamy promień orbity elektronu:
r1=
e^2/8πε0 *Rjon =
e^2/8π*ε0 *2,18*10^(-18)
r1 =
[1,602*10^(-19)]^2 /25,12*8,85*10^(-12) *
2,18*10^(-18)
r1 =
2,566 * 10^(-38) / 484,64 * 10^(-30)
r1 =
5,295*10^(-11) [m]
e
= 1,602*10^(-19) [C]
ε0 =
8,85*10^(-12) [F/m]
me =
9,11*10^(-31) [kg]
1
eV = 1,602*10^(-19) [J]
Pozostałe
promienie orbit elektronu rn odpowiadające
tym En poziomom
energetycznym
r1 =
e^2/8πε0 *Rjon =
e^2/8π*ε0 *2,18*10^(-18)
= 5,295*10^(-11) [m]
r2 =
e^2/8πε0 *
E2
= e^2/8π*ε0 *0,545*10^(-18)
= 21,18*10^(-11) [m]
r3 =
e^2/8πε0 *
E3
= e^2/8π*ε0 *0,244*10^(-18)
= 47,71*10^(-11) [m]
r4 =
e^2/8πε0 *
E4
= e^2/8π*ε0 *0,136*10^(-18)
= 84,72*10^(-11) [m]
Ze
wzoru na równość sił, odśrodkowej i przyciągania
elektrostatycznego:
me *v^2/r
= e^2/4πε0 *r^2
możemy
wyznaczyć teraz prędkość obwodową elektronu:
v = [e^2/4π*ε0 *m*r]^0,5
= e / [4πε0 *m*r]^0,5 =
v1 =
e/[4π*ε0 *m*r1]^
0,5 =
v1 =
1,602*10^(-19) /[12,56*8,85*10^(-12) *
9,11*10^(-31) * 5,295*10^(-11)]^0,5
v1 =
1,602*10^(-19) / [5361,88 * 10^(-54)]^0,5 = 1,602*10^(-19) / 73,22 *
10^(-27)
v1 =
160,2 10^(-21) / 73,22 * 10^(-27) = 2,18 * 10^6
v1 =
2,18*10^6 [m/s]
Poziomy
energetyczne w atomie wodoru
E1 =
-13,6 eV =
= -21,8*10^(-19) [ J]
E2 =
E1/2^2
= -21,8*10^(-19)/2^2 = -5,45*10^(-19) [ J]
E3 =
E1/3^2
= -21,8*10^(-19)/3^2 = -2,44*10^(-19) [ J]
E4 =
E1/4^2
= -21,8*10^(-19)/4^2 = -1,36*10^(-19) [ J]
En =
E1 *
1/n^2
Pozostałe
prędkości obwodowe elektronu vn odpowiadające
tym poziomom energetycznym:
En =
0,5*m*v^2
me =
9,11*10^(-31) [kg]
v1 =
1,602*10^(-19) /[12,56*8,85*10^(-12) *
9,11*10^(-31) * 5,295*10^(-11)]^0,5
v1 = 2,18*10^6 [m/s]
v2 =
1,602*10^(-19) /[12,56*8,85*10^(-12) *
9,11*10^(-31) * 21,18*10^(-11)]^0,5
v2 = 1,093*10^6 [m/s]
v3 =
1,602*10^(-19) /[12,56*8,85*10^(-12) *
9,11*10^(-31) * 47,71*10^(-11)]^0,5
v3 = 0,728*10^6 [m/s]
v4 =
1,602*10^(-19) /[12,56*8,85*10^(-12) *
9,11*10^(-31) * 84,72*10^(-11)]^0,5
v4 = 0,546*10^6 [m/s]
Tutaj
sprawdzająco wg drugiego wzoru:
v1 =
[2E1/me]^0,5
= [2*21,8*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 2,180*10^6 [m/s]
v2 =
[2E2/me]^0,5
= [2*5,45*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 1,093*10^6 [m/s]
v3 =
[2E3/me]^0,5
= [2*2,44*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,728*10^6 [m/s]
v4 =
[2E3/me]^0,5
= [2*1,36*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,546*10^6 [m/s]
Momenty
pędu na poszczególnych orbitach:
v1 =
[2E1/me]^0,5
= [2*21,8*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 2,180*10^6 [m/s]
r1 =
e^2/8πε0 *Rjon =
e^2/8πε0 *2,18*10^(-18)
= 5,295*10^(-11) [m]
Mp1 =
me *v1 *r1 =
9,11*10^(-31) * 2,180*10^6 * 5,295*10^(-11)
Mp1 =
105,1 *10^(-32) [kg*m^2/s] = 1,05 *10^(-27) [g*cm^2/s]
Mp1 =
1,05 *10^(-27) [g*s*cm^2/s^2]
[g*s*cm^2/s^2]
= [erg*s]
Mp1 =
1,05 *10^(-27) [erg*s] = h =
h/2π
I
patrzę i oczom nie wierzę, ten moment pędu jest równy stałej
Plancka – słynnej STAŁEJ PLANCKA. Czy to może być
przypadek, czy moja spekulacja? NIE! Ktoś powie: to o niczym nie
świadczy. Może dla kogoś nie, ale dla mnie świadczy i to dużo.
Otrzymałem promień, który
potwierdzają doświadczenia i
dalej po drodze spotkałem stałą
Plancka. Otrzymałem coś
zdumiewającego. Wniosek z tego, że ta metoda, jest do przyjęcia.
Licząc
momenty pędu pozostałych orbit:
v2 =
[2E2/me]^0,5
= [2*5,45*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 1,093*10^6 [m/s]
r2 =
e^2/8πε0 *
E2 =
e^2/8πε0 *0,545*10^(-18)
= 21,18*10^(-11) [m]
Mp2 =
me *v2 *r2 =
9,11*10^(-31)* 1,093*10^6 *21,18*10^(-11)
Mp2 =
210,0 * 10^(-32) [kg*m^2/s] = 2,10 *10^(-27) [g*cm^2/s]
Mp2 =
2,10 *10^(-27) [g*s*cm^2/s^2]
[g*s*cm^2/s^2]
= [erg*s]
Mp2 =
2,10 *10^(-27) [erg*s] = 2h =
2h/2π
v3 =
[2E3/me]^0,5
= [2*2,44*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,728*10^6 [m/s]
r3 =
e^2/8πε0 *
E3 =
e^2/8πε0 *0,244*10^(-18)
= 47,71*10^(-11) [m]
Mp3 =
me *v3 *r3 =
9,11*10^(-31)* 0,728*10^6 *47,71*10^(-11)
Mp3 =
316,0 * 10^(-32) [kg*m^2/s] = 3,16 *10^(-27) [g*cm^2/s]
Mp3 =
3,16 *10^(-27) [g*s*cm^2/s^2]
[g*s*cm^2/s^2]
= [erg*s]
Mp3 =
3,16 *10^(-27) [erg*s] = 3h =
3h/2π
v4 =
[2E3/me]^0,5
= [2*1,36*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,546*10^6 [m/s]
r4 =
e^2/8πε0 *
E4 =
e^2/8πε0 *0,136*10^(-18)
= 84,72*10^(-11) [m]
Mp4 =
me *v4 *r4 =
9,11*10^(-31)* 0,546*10^6 *84,72*10^(-11)
Mp4 =
421,0* 10^(-32) [kg*m^2/s] = 4,21*10^(-27) [g*cm^2/s]
Mp4 =
4,21*10^(-27) [g*s*cm^2/s^2]
Mp4 =
4,21*10^(-27) [erg*s] = 4h =
4h/2π
Widzę,
że są one wielokrotnościami stałej Plancka h.
Mp1 =
1,05 *10^(-27) [erg*s] = h
Mp2 =
2,10 *10^(-27) [erg*s] = 2h
Mp3 =
3,16 *10^(-27) [erg*s] = 3h
Mp4 =
4,21 *10^(-27) [erg*s] = 4h
A
więc postulat Bohra:
m*vn*rn =
n*h =
n*h/2π
jest
prawdziwy, można go wyprowadzić, co powyższym uczyniłem i o czym
chciałem się osobiście przekonać. Jestem przekonany, że Bohr też
go wyprowadził, a nie, jak się mówi, wprowadził ad
hoc.
Reasumując: Model
atomu wodoru Bohra, ze swymi postulatami ostatecznie mnie przekonał.
Siła
odśrodkowa:
F
= m *v^2/r
i
jest równa sile oddziaływania elektrostatycznego, więc:
m*vn^2/rn =
e^2/4πε*rn^2
m*vn^2
= e^2/4πε0*rn
rn *
vn^2
= e^2/4πε0 *
m
m
* vn *
rn =
n * h
Promienie
orbit elektronu v odpowiadające tym poziomom energetycznym
r1 =
e^2/8πε*Rjon =
e^2/8πε*2,18*10^(-18) = 5,295*10^(-11) [m]
r2 =
e^2/8πε* E2 =
e^2/8πε*0,545*10^(-18) = 21,18*10^(-11) [m]
r3 =
e^2/8πε* E3 =
e^2/8πε*0,244*10^(-18) = 47,71*10^(-11) [m]
r4 =
e^2/8πε* E4 =
e^2/8πε*0,136*10^(-18) = 84,72*10^(-11) [m]
Prędkości
obwodowe elektronu v odpowiadające tym poziomom energetycznym
v1 =
[2E1/me]^0,5
= [2*21,8*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 2,180*10^6 [m/s]
v2 =
[2E2/me]^0,5
= [2*5,45*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 1,093*10^6 [m/s]
v3 =
[2E3/me]^0,5
= [2*2,44*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,728*10^6 [m/s]
v4 =
[2E3/me]^0,5
= [2*1,36*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,546*10^6 [m/s]
me =
9,11*10^(-31) [kg]
ε
= 8,85*10^(-12) [F/m]
e
= 1,602*10^(-19) [C]
K
= e^2/4πε0 *
m =
[1,602*10^(-19) ]^2/12,56*8,85*10^(-12) * 9,11*10^(-31)
K=
2,566 * 10^(-38) / 111,156 * 10^(-12) * 9,11*10^(-31)
K=
2566,0 * 10^(-41) /1012,63* 10^(-43)
K=
2,53 * 10^2
r1 =
e^2/8πε*Rjon =
e^2/8πε*2,18*10^(-18) = 5,295*10^(-11) [m]
v1 =
[2E1/me]^0,5
= [2*21,8*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 2,180*10^6 [m/s]
K1
= r1*v1 = 5,295*10^(-11) * [2,180*10^6]^2
K1=
5,295*10^(-11) * 4,752*10^12
K1=
25,16*10^(1)
K1=
2,53 * 10^2 OK
r2 =
e^2/8πε* E2 =
e^2/8πε*0,545*10^(-18) = 21,18*10^(-11) [m]
v2 =
[2E2/me]^0,5
= [2*5,45*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 1,093*10^6 [m/s]
K2
= r2*v2 = 21,18*10^(-11) * [1,093*10^6]^2
K2= 21,18*10^(-11)
*1,194*10^12
K2 =
25,30*10^1
K2
= 2,53*10^2 OK
r3 =
e^2/8πε* E3 =
e^2/8πε*0,244*10^(-18) = 47,71*10^(-11) [m]
v3 =
[2E3/me]^0,5
= [2*2,44*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,728*10^6 [m/s]
K3
= r3*v3 = 47,71*10^(-11)
* [0,728*10^6]^2
K3 = 47,71*10^(-11)
* 0,529
* 10^12
K3 =
25,28*10^1
K3
= 2,528*10^2 OK
r4 =
e^2/8πε* E4 =
e^2/8πε*0,136*10^(-18) = 84,72*10^(-11) [m]
v4 =
[2E3/me]^0,5
= [2*1,36*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,546*10^6 [m/s]
K4
= r4*v4 = 84,72*10^(-11)
* [0,546*10^6]^2
K4 = 84,72*10^(-11)
* 0,298
*10^12
K4 =
25,26*10^1
K4
= 2,526*10^2 OK
me =
9,11*10^(-31) [kg]
ε
= 8,85*10^(-12) [F/m]
e
= 1,602*10^(-19) [C]
m
* vn *
rn =
n * h
rn *
vn^2
= e^2/4πε0 *
m
m
* v1 *
r1 =
1 * h
v1 *
r1 =
1 * h /
m
vn *
rn = n * h /
m
vn *
rn /
n = h /
m
vn *
rn / n = v1 *
r1
vn *
rn = n *
v1 *
r1
vn / v1= n *
r1 / rn
n *
r1 /
rn =
vn /
v1
rn *
vn^2
= e^2/4πε0 *
m
r1 *
v1^2
= e^2/4πε0 *
m
rn *
vn^2
= e^2/4πε0 *
m
r1 *
v1^2
= rn *
vn^2
r1 /
rn =
vn ^2
/ vn ^2
Rozwiązując
ten układ równań:
vn ^2
/ v1^2
= vn / nv1
vn ^2
* nv1 =
vn *
v1^2
nv1 *
vn ^2
- v1^2 *
vn =
0
Δ
= b^2 – 4ac = v1^4
vn =
[-b + √Δ] / 2a = [v1^2 + v1^2] /
2 *nv1
vn = 2v1^2
/ 2 *nv1 =
2v1 / 2
*n = v1 / n
vn =
v1 / n
Dla
pozostałych orbit będą prędkości, co widać wg wyliczenia:
v2 =
v1 /
2
v3 =
v1 /
3
v4 =
v1 /
4
Prędkości
obwodowe elektronu vn odpowiadające
tym poziomom energetycznym
v1 =
[2E1/me]^0,5
= [2*21,8*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 2,180*10^6 [m/s]
v2 =
[2E2/me]^0,5
= [2*5,45*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 1,093*10^6 [m/s]
v3 =
[2E3/me]^0,5
= [2*2,44*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,728*10^6 [m/s]
v4 =
[2E3/me]^0,5
= [2*1,36*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,546*10^6 [m/s]
Wstawiając
vn =
v1 / n
do
n *
r1 /
rn =
vn /
v1
vn / v1 =
1 / n do
n *
r1 /
rn =
1 / n
n^2 *
r1 /
rn =
1
n^2 *
r1 =
rn
Ostatecznie
rn = n^2 *
r1
r2 =
2^2 * r1 =
4r1
r3 =
3^2 * r1 =
9r1
r4 =
4^2 * r1 =
16r1
Promienie
orbit elektronu v odpowiadające tym poziomom energetycznym.
Widzimy,
że się zgadza.
r1 =
e^2/8πε*Rjon =
e^2/8πε*2,18*10^(-18) = 5,295*10^(-11) [m]
r2 =
e^2/8πε* E2 =
e^2/8πε*0,545*10^(-18) = 21,18*10^(-11) [m]
r3 =
e^2/8πε* E3 =
e^2/8πε*0,244*10^(-18) = 47,71*10^(-11) [m]
r4 =
e^2/8πε* E4 =
e^2/8πε*0,136*10^(-18) = 84,72*10^(-11) [m]
Postulaty
Bohra dla atomu wodoru można zrozumieć, gdy się wyprowadzi wzory
na promień orbity i prędkość elektronu na niej. Ja postanowiłem
zadać sobie trochę trudu i wyprowadziłem sobie postulat Bohra. I w
tych obliczonych promieniach orbit i prędkościach na nich od 1 do 4
zobaczyłem, co to znaczy wzrost momentu pędu z jednej orbity na
drugą.
v/r
= 2π/T
r1 =
e^2/8πε0 *Rjon =
e^2/8πε0 *2,18*10^(-18)
= 5,295*10^(-11) [m]
r2 =
e^2/8πε0 *
E2
= e^2/8πε0 *0,545*10^(-18)
= 21,18*10^(-11) [m]
r3 =
e^2/8πε0 *
E3 =
e^2/8πε0 *0,244*10^(-18)
= 47,71*10^(-11) [m]
r4 =
e^2/8πε0 *
E4
= e^2/8πε0 *0,136*10^(-18)
= 84,72*10^(-11) [m]
v1 =
[2E1/me]^0,5
= [2*21,8*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 2,180*10^6 [m/s]
v2 =
[2E2/me]^0,5
= [2*5,45*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 1,093*10^6 [m/s]
v3 =
[2E3/me]^0,5
= [2*2,44*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,728*10^6 [m/s]
v4 =
[2E3/me]^0,5
= [2*1,36*10^(-19)/ 9,11*10^(-31)]^0,5 = 0,546*10^6 [m/s]
ὠ1 =
v1/r1 = 21,80*10^5/5,295*10^(-11)
ὠ1 =
4.12 * 10^16 [rad/s]
;
ὠ2 =
v2/r2 = 10,93*10^5/21,18*10^(-11)
ὠ2 =
0,516*10^16 [rad/s]
ὠ3 =
v3/r3 = 7,28*10^5
/47,71*10^(-11)
ὠ3 =
0,152*10^16 [rad/s]
ὠ4 =
v4/r4 = 5,46*10^5
/84,72*10^(-11)
ὠ4 =
0,064*10^16 [rad/s]
Widzimy,
że częstość kątowa ὠn coraz
mniejsza z orbity na orbitę. Przypatrzmy sie bliżej tym
częstościom.
Częstość kątowa
dla 1-szej orbity:
ὠ1 =
v1/r1 =
21,80*10^5/5,295*10^(-11)
ὠ1 =
4.12 * 10^16 [rad/s]
i
jej częstotliwość:
f1 = ὠ1 /2 π =
4.12 * 10^16 / 2 π = 65.7968 * 10^14 [Hz]
f1 =
65.7968 * 10^14 [Hz]

Granica
serii Lymana - maksymalna
częstotliwość pochłaniana/emitowana przez atom wodoru w tej
serii:
λ1 =
(1 * 91.18 = 91.18 nm), (na
poniższym rys. Limit 911,267 A)

Odpowiadająca
tej długość fali częstotliwość:
ν1 =
c / λ1 =
c / 91.18 = 3 * 10^8 / 91.18 * 10^−9 m = 32,9163 * 10^14 [Hz]
ν1 =
32,9163 * 10^14 [Hz]
Stosunek
maksymalnej częstotliwości pochłanianej/emitowanej przez atom
wodoru w serii Lymana do
częstotliwości 1-ej orbity:
k1 =
ν1 /
f1 =
32,9163 * 10^14 [Hz] / 65.7968 * 10^14 [Hz] = 1/2
k1 =
ν1 /
f1 =
1/2
Częstość
kątowa dla 2-giej orbity:
ὠ2 =
v2/r2 =
10,93*10^5/21,18*10^(-11)
ὠ2 =
0,516*10^16 [rad/s]
i
jej częstotliwość:
f2 = ὠ2 /2 π =
0,516 * 10^16 / 2 π = 8,2246 * 10^14 [Hz]
f2 =
8,2246 * 10^14 [Hz]
Granica
serii Balmera - maksymalna
częstotliwość pochłaniana/emitowana przez atom wodoru w tej
serii:
λ2 =
(4 * 91.15 = 364.60 nm),
Odpowiadająca
tej długość fali częstotliwość:
ν2 =
c / λ2 =
c / 364.60 = 3 * 10^8 / 364.60 * 10^−9 = 8.2246 * 10^14 Hz
Stosunek
maksymalnej częstotliwości pochłanianej/emitowanej przez atom
wodoru w serii Balmera do
częstotliwości 2-ej orbity:
k2 =
ν2 /
f2 =
8,2246 * 10^14 [Hz] / 8,2246 * 10^14 [Hz] = 2/2
k2 =
ν2 /
f2 =
2/2
Częstość
kątowa dla 3-iej orbity:
ὠ3 =
v3/r3 =
7,28*10^5 /47,71*10^(-11)
ὠ3 =
0,152*10^16 [rad/s]
i
jej częstotliwość:
f3 = ὠ3 /2 π = 0,152*10^16
/ 2 π = 2.43692
* 10^14 [Hz]
Granica
serii Paschena - maksymalna
częstotliwość pochłaniana/emitowana przez atom wodoru w tej
serii:
λ3 =
9 * 91.16 = 820.4 nm
Odpowiadająca
tej długość fali częstotliwość:
ν3 =
c / λ3 =
c / 820.4 * 10^−9 = 3 * 10^8 / 820.4 * 10^−9 = 3.65404 *
10^14[Hz]
ν3 =
c / λ3 =
3.65404 * 10^14[Hz]
Stosunek
maksymalnej częstotliwości pochłanianej/emitowanej przez atom
wodoru w serii Paschena do
częstotliwości 3-ej orbity:
k3 =
ν3 /
f3 =
3.65404 * 10^14 / 2.43692 * 10^14 = 3/2
k3 =
ν3 /
f3 =
3/2
Częstość
kątowa dla 4-iej orbity:
ὠ4 =
v4/r4 =
5,46*10^5 /84,72*10^(-11)
ὠ4 =
0,064*10^16 [rad/s]
i
jej częstotliwość:
f4 = ὠ4 /2 π =
0,064*10^16 / 2 π = 1.028062 * 10^14 [Hz]
f4 = ὠ4 /2 π =
1.028062 * 10^14 [Hz]
Granica
serii Bracketta - maksymalna
częstotliwość pochłaniana/emitowana przez atom wodoru w tej
serii:
λ4 =
16 * 91.16 = 1459 nm
Odpowiadająca
tej długość fali częstotliwość:
ν4 =
c / λ4 =
c / 1459 * 10^−9 = 3 * 10^8 / 1459 * 10^−9 = 2,056202 * 10^14[Hz]
ν4 =
c / λ4 =
2,056202 * 10^14[Hz]
Stosunek
maksymalnej częstotliwości pochłanianej/emitowanej przez atom
wodoru w serii Bracketta do
częstotliwości 4-ej orbity:
k4 =
ν4 /
f4 =
2,056202 * 10^14 / 1.028062 * 10^14 = 4/2
Stosunki
maksymalnej częstotliwości pochłanianej/emitowanej przez atom
wodoru w n-tej serii do
częstotliwości n-ej orbity:
k1 =
ν1 /
f1 =
1/2
k2 =
ν2 /
f2 =
2/2
k3 =
ν3 /
f3 =
3/2
k4 =
ν4 /
f4 =
4/2
kn =
νn /
fn =
n/2
Widzimy
kolejne wielokrotności 1, 2, 3,
4 stałego czynnika 1/2 a
więc zaloeżność miedzy maksymalną
częstotliwością pochłanianej/emitowanej przez atom wodoru
w n-tej serii do
częstotliwości n-ej orbity.
Otrzymałem
zdumiewające wyniki. Wniosek jest tylko jeden, że
planetarno-kwantowy model atomu wodoru jest prawdziwy.
Podsumowanie:
Energie En –
z doświadczenia
En =
E1/n^2
E1 =
E1/1^2
E2 =
E1/2^2
E3 =
E1/3^2
E4 =
E1/4^2
Promienie
orbit – wyliczone z uwzględnieniem energii En
rn = n^2 *
r1
r1 =
1^2 * r1 =
1r1
r2 =
2^2 * r1 =
4r1
r3 =
3^2 * r1 =
9r1
r4 =
4^2 * r1 =
16r1
Prędkości
- wyliczone z uwzględnieniem energii En i
promieni rn
vn =
v1 / n
v1 =
v1 /
1
v2 =
v1 /
2
v3 =
v1 /
3
v4 =
v1 /
4
1-szy
postulat Bohra – wyliczone z uwzględnieniem promieni rn i
prędkości vn
m*vn*rn =
n*h
m*v1*r1 =
1*h
m*v2*r2 =
2*h
m*v3*r3 =
3*h
m*v4*r4 =
4*h
Widzimy,
jak ładna numerologia - kwantowa numerologia.
Stosunki
max częstotliwości pochłanianej/emitowanej przez atom wodoru
w n-tej serii
do częstotliwości n-tej orbity:
kn =
νn /
fn =
n/2
k1 =
ν1 /
f1 =
1/2
k2 =
ν2 /
f2 =
2/2
k3 =
ν3 /
f3 =
3/2
k4 =
ν4 /
f4 =
4/2
Tutaj
tylko numerologia, ale ładna. Tak, Natura lubi ładnie układające
się liczby. Tu jest cała tajemnica fizyki kwantów i jej
zrozumienie.
Na
pierwszej orbicie o promieniu
r1 =
5,295*10^(-11) [m]
jest
moment pędu
L1 =
Mp1 =
m*v1*r1 =
1*h
Widać
wyraźnie, jak na dłoni, że elektron nie może spaść, bo ten
moment pędu
L1 =
Mp1 =
m*v1*r1 =
1*h
nie
może być mniejszy od 1*h,
bo to jest najmniejsza porcja w Naturze.
Wzrost
moment pędu jest natomiast na zewnątrz.
Powyżej 1*h można
więc podskoczyć ale poniżej 1*h nie
zejdziesz.
I
tej stałej Plancka h w atomie wodoru wielu fizyków nie chce widzieć.

Literatura:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html#hph
HyperPhysics
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html