Het atoommodel van Bohr

Niels Bohr leverde een inmense bijdrage aan de natuurkunde. Hij geldt als een van de grondleggers van de atoomfysica, en staat tevens aan de basis de spectaculaire theorie (uit de 20e eeuw) quantumfyscia. Het atoommodel van Bohr beschrijft hoe een atoom in elkaar zit en hoe het zich gedraagt. Een andere grootheid in de atoomtheorie is Ernest Rutherford.

Hoe men vroeger dacht

De oude Grieken bedachten het atomisme. Deze leer stelt dat alle materie is opgebouwd uit ontelbare ondeelbare deeltjes. A-tomos betekent leterlijk: onsnijdbaar. Men filosofeerde over de vraag of stoffen oneindig vaak deelbaar zijn of niet. Aangenomen dat materie niet oneindig vaak deelbaar zou zijn, dan zouden de 'overgebleven' deetjes een grootte en een massa moeten hebben. De eerste die deze stelling aanhing was Democritus.

Nadat de natuurwetenschappen na de renaissance tot grote bloei kwamen, kwam onderzoek naar materie weer onder de aandacht. De kleinste destijds bekende deeltjes werden in de 19de eeuw atomen genoemd. Later werd duidelijk dat deze deeltjes opgebouwd waren uit nog kleinere deeltjes.

Het atoommodel van Rutherford

De Nieuw Zeelandse natuurkundige Ernest Rutherford stelde in 1911 een atoommodel op dat gebaseerd was op een kleine positief geladen kern, waaromheen een elektron cirkelt. Hij was al in 1898 tot de conclusie gekomen dat de straling van radioactief materiaal uit twee soorten bestaat (alfa en beta). Het was al bekend dat straling een dualistisch karakter heeft: het gedraagt zich niet alleen als golf maar ook als deeltje (zie ook dualisme).

Op basis van metingen aan de verstrooing van alfa-deeltjes stelde Rutherford:

• Atoom = orde van grootte 1 Angstrom = 1 [A] = 1 E-10 [m].
• Atoomkern bevat vrijwel de gehele massa.
• Atoomkern is ca. 10,000 keer zo klein als het atoom.
• Elektronen circelen rondom de kern.

De bezwaren tegen dit model konden als volgt worden samengevat:

• Het model is niet stabiel: elektron zal terugvallen in de kern.
• Geen verklaring voor het lijnenspectrum prisma licht.

Het atoommodel van Bohr

In 1912 ging de Deense natuurkundige Bohr samenwerken met Rutherford. Door de kwantumtheorie van Max Planck te combineren met Rutherfords model ontstond het atoommodel van Bohr. De theorie vormt de grondslag voor de moderne kernfysica.

Bohr stelde de volgende hypothesen op:

• Een elektron kan zich steeds in bepaalde banen (met bepaalde energieen) bevinden.
• In stabiele toestand zit een elektron in de grondtoestand.
• Een elektron kan zich in een aangeslagen toestand bevinden (met hogere energie).
• Zo'n elektron valt terug naar de grondtoestand onder uitzending van straling.

De eerste stelling verklaart de stabiele toestand waarin een 'normaal' atoom zich bevind: elektronen vallen niet terug naar de kern. Een aangeslagen toestand kan door verschillende oorzaken optreden bv. door verhitting. Stel de energie in de grondtoestand is gelijk aan W1 en voor de aangeslagen toestand W2. Dan geldt voor de uitgezonden straling:
De quanten (energiepakketjes) hebben een energie van: h x f = W2 - W1 = h x c/λ

met:

• h = constante van Planck = 6.625 x 10E-34 [Js]
• f = stralingsfrequentie [Hz]
• λ = stralingsgolflengte [m]
• c = lichtsnelheid= 3.0 x 10E8 [m/s]

Schillen

Wat betekenen nu die verschillende toestanden en energiëen? Volgens het atoommodel van Bohr bevinden de elektronen van een atoom zich in een aantal schillen rondom de kern. Elke schil heeft zijn eigen energienivo. Het aantal elektronen dat een schil kan bevatten is beperkt. De schillen worden als volgt gerangschikt (met toenemende afstand tot de kern): K, L, M, N, O, P en Q. Het schilnummer 'n' geeft het maximaal aantal elektronen per schil aan: #elektronen,max = 2 x n² (geldig t/m n=4).

De elektronen van een stabiel atoom gaan altijd in de schillen met de laagst mogelijke energie zitten.
Als voorbeeld kunnen we het Lithium atoom bekijken:

• Lithium heeft 3 elektronen.
• De K-schil kan bevatten: 2x(1)²= 2 elektronen --> 2 elektronen bezetten de schil, die dus vol is.
• De L-schil kan bevatten: 2x(2)² = 8 elektronen --> 1 elektron bezet deze schil.