El modelo de Bohr o modelo de Rutherford-Bohr del átomo es un modelo planetario que describe la estructura de los átomos principalmente en términos de teoría cuántica. Se llama modelo planetario porque los electrones orbitan el núcleo atómico como los planetas orbitan alrededor del Sol, mientras que las órbitas circulares de los electrones forman capas. El físico danés Niels Bohr propuso el modelo en 1913.
El modelo de Bohr fue el primer modelo atómico que incorporó algo de mecánica cuántica. Los modelos anteriores fueron el modelo cúbico (1902), el modelo de pudín de ciruela (1904), el modelo de Saturno (1904) y el modelo de Rutherford (1911). En última instancia, los modelos basados completamente en la mecánica cuántica reemplazaron al modelo de Bohr. Sin embargo, es un modelo importante porque describe el comportamiento cuántico de los electrones en términos simples y explica la fórmula de Rydberg para las líneas de emisión espectral de hidrógeno.
Puntos clave del modelo de Bohr
- El núcleo atómico está formado por protones y neutrones y tiene una carga neta positiva.
- Los electrones tienen carga negativa y orbitan alrededor del núcleo.
- Las órbitas de los electrones son circulares, pero no todos los electrones orbitan en el mismo plano (como los planetas alrededor de una estrella), lo que da como resultado esferas o capas donde se puede encontrar un electrón. Mientras que la gravedad determina las órbitas de los planetas alrededor de las estrellas, las fuerzas electrostáticas (fuerza de Coulomb) hacen que los electrones orbiten el núcleo.
- La energía más baja para un electrón (estado más estable) está en la órbita más pequeña, que está más cerca del núcleo.
- Cuando un electrón se mueve de una órbita a otra, la energía se absorbe (pasando de una órbita más baja a otra más alta) o se emite (pasando de una órbita más alta a otra más baja).
El modelo de hidrógeno de Bohr
El ejemplo más simple del modelo de Bohr es para el átomo de hidrógeno (Z = 1) o para un ión similar al hidrógeno (Z> 1), en el que un electrón cargado negativamente orbita un pequeño núcleo cargado positivamente. Según el modelo, los electrones solo ocupan determinadas órbitas. El radio de las posibles órbitas aumenta en función de n 2, donde n es el número cuántico principal. Si un electrón se mueve de una órbita a otra, la energía se absorbe o se emite. La transición 3 → 2 produce la primera línea de la serie Balmer. Para el hidrógeno (Z = 1), esta línea consta de fotones con una longitud de onda de 656 nm (rojo).
Modelo de Bohr para átomos más pesados
El átomo de hidrógeno solo contiene un protón, mientras que los átomos más pesados contienen más protones. Los átomos requieren electrones adicionales para cancelar la carga positiva de múltiples protones. Según el modelo de Bohr, cada órbita solo contiene una cierta cantidad de electrones. Cuando el nivel se llena, los electrones adicionales ocupan el siguiente nivel superior. Entonces, el modelo de Bohr para electrones más pesados introduce capas de electrones. Esto explica algunas propiedades de los átomos pesados, como por qué los átomos se vuelven más pequeños a medida que se mueve de izquierda a derecha a lo largo de un período (fila) de la tabla periódica, a pesar de que contienen más protones y electrones. El modelo también explica por qué los gases nobles son inertes, por qué los átomos del lado izquierdo de la tabla periódica atraen electrones y por qué los elementos del lado derecho (excepto los gases nobles) pierden electrones.
Un problema al aplicar el modelo de Bohr a átomos más pesados es que el modelo asume que las capas de electrones no interactúan. Entonces, el modelo no explica por qué los electrones no se apilan de manera regular.
Limitaciones del modelo atómico de bohr
Si bien el modelo de Bohr superó los modelos anteriores y describió los espectros de absorción y emisión, tuvo algunos problemas:
- El modelo no pudo predecir los espectros de átomos grandes.
- No explica el efecto Zeeman.
- No predice las intensidades relativas de las líneas espectrales.
- El modelo viola el principio de incertidumbre de Heisenberg porque define tanto el radio como la órbita de los electrones.
- Calcula incorrectamente el momento angular en el estado fundamental. Según el modelo de Bohr, el momento angular en el estado fundamental es L = ħ. Los datos experimentales muestran L = 0.
- El modelo de Bohr no explica la estructura fina e hiperfina de las líneas espectrales.
Mejoras en el modelo de Bohr
El modelo de Sommerfeld o Bohr-Sommerfeld mejoró significativamente en el modelo de Bohr original al describir órbitas elípticas de electrones en lugar de órbitas circulares. Esto permitió que el modelo de Sommerfeld explicara los efectos atómicos, como el efecto Stark en la división de líneas espectrales. Sin embargo, el modelo de Sommerfeld no pudo acomodar el número cuántico magnético.
En 1925, el modelo atómico de Pauli de Wolfgang reemplazó al modelo de Bohr y a los basados en él. El modelo de Pauli se basaba puramente en la mecánica cuántica, por lo que explicaba más fenómenos que el modelo de Bohr. En 1926, la ecuación de Erwin Schrodinger introdujo la mecánica ondulatoria, lo que dio lugar a las modificaciones del modelo de Pauli que se utilizan en la actualidad.
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