Mặc dù lý thuyết Mẫu nguyên tử Bohr đã được phát triển hơn một thế kỷ trước, nhưng nó vẫn có ý nghĩa to lớn trong lĩnh vực vật lý hiện đại. Vì vậy, việc hiểu rõ về lý thuyết này sẽ giúp bạn có một cái nhìn tổng thể về nguyên tử và cấu trúc của chúng.
Mục lục bài viết
1. Mẫu nguyên tử Bo:
Năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr đã đưa ra hai giả thuyết quan trọng vào mẫu hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho, mở ra một cánh cửa mới cho sự hiểu biết về cấu trúc của nguyên tử. Các giả thuyết này đóng góp quan trọng vào việc giải thích tại sao các nguyên tố có thể tồn tại với nhiều cấu trúc khác nhau và cũng giải thích về hiện tượng quang phổ của các nguyên tố.
Đầu tiên, tiên đề về trạng thái dừng. Theo đó, nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định En, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng này, nguyên tử sẽ không bức xạ. Điều này giải thích tại sao các nguyên tố có thể tồn tại với nhiều cấu trúc khác nhau, phụ thuộc vào trạng thái dừng của nó. Các trạng thái dừng được đánh số theo mức năng lượng của chúng.
Tiếp đó, tiên đề về trạng thái kích thích. Bình thường, nguyên tử sẽ ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất, gọi là trạng thái cơ bản (n = 1). Tuy nhiên, khi hấp thụ năng lượng, nguyên tử sẽ chuyển sang các trạng thái có năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích thứ n (n > 1). Bằng cách này, nguyên tử có thể thay đổi cấu trúc của mình và trở nên hoàn toàn khác biệt. Hiện tượng quang phổ của các nguyên tố được giải thích bằng cách nguyên tử phát ra ánh sáng khi chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản.
Những giả thuyết của Bohr đã thúc đẩy sự phát triển của lý thuyết nguyên tử và đã tạo ra sự quan tâm đối với cấu trúc của nguyên tử. Các nghiên cứu sau đó đã tiếp tục phát triển và hoàn thiện các giả thuyết này. Hiểu biết về cấu trúc của nguyên tử là rất quan trọng trong nghiên cứu vật lý, hoá học, và các lĩnh vực khoa học khác.
+) Tên của các quỹ dạo dừng
| n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6… |
| Tên | K | L | M | N | O | P… |
Trong trạng thái dừng của nguyên tử, electron chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định. Những quỹ đạo này được gọi là quỹ đạo dừng và được mô tả bởi thuyết Bohr về nguyên tử. Đối với nguyên tử hidro, bán kính của quỹ đạo dừng được tính bằng công thức rn = n2r0 với r0 = 5,3.10-11. Bán kính Bo là bán kính của quỹ đạo dừng đối với nguyên tử hidro khi n = 1.
Tiên đề về sự hấp thụ và bức xạ năng lượng của nguyên tử là một trong những khái niệm quan trọng của hóa học. Sự hấp thụ năng lượng xảy ra khi một nguyên tử hấp thụ ánh sáng hoặc năng lượng từ môi trường xung quanh. Khi đó, electron trong nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển động từ trạng thái năng lượng thấp hơn lên trạng thái năng lượng cao hơn. Quá trình hấp thụ năng lượng này có thể làm cho nguyên tử trở nên bị kích thích và có thể gây ra các hiện tượng như phát sáng hoặc thay đổi sự kiện hóa học. Ngược lại, sự bức xạ năng lượng xảy ra khi electron trong nguyên tử chuyển động từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc sóng điện từ.
Sự tương tác giữa ánh sáng và nguyên tử có thể được mô tả bằng số lượng quantum của ánh sáng và sự chuyển động của electron. Sự tương tác này là cơ sở cho các ứng dụng của hóa học như phân tích phổ hấp thụ và phát xạ, và cũng là cơ sở cho các ứng dụng của điện tử và quang học. Hơn nữa, hiểu biết về sự hấp thụ và bức xạ năng lượng của nguyên tử cũng là cơ sở cho các nghiên cứu liên quan đến năng lượng và vật liệu.
Hình vẽ mô tả ba quỹ đạo dừng gần hạt nhân nhất của nguyên tử hiđrô.
Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng Em sang trạng thái dừng có năng lượng En nhỏ hơn thì nguyên tử sẽ phát ra một phôtôn có năng lượng bằng hiệu Em – En. Điều này có thể được giải thích như sau: khi nguyên tử hấp thụ ánh sáng có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng từ ánh sáng này và chuyển sang trạng thái có năng lượng cao hơn, trạng thái kích thích. Khi nguyên tử ở trạng thái kích thích, electron ở vị trí xa nhân nguyên tử, tạo ra một khoảng cách lớn giữa điện tích dương và điện tích âm của electron. Khi electron trở lại vị trí ban đầu, khoảng cách giữa các điện tích này giảm, dẫn đến sự giải phóng năng lượng dưới dạng photon.
Tương tự, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng En mà hấp thụ một phôtôn có năng lượng hf đúng bằng hiệu Em – En thì nó sẽ chuyển sang trạng thái dừng có năng lượng En và phát ra ánh sáng có bước sóng tương ứng với hiệu Em – En.
Tóm lại, nếu nguyên tử hấp thụ ánh sáng có bước sóng phù hợp thì sẽ phát ra ánh sáng có bước sóng tương ứng. Các quá trình này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc nguyên tử và cách chúng tương tác với ánh sáng.
2. Giải thích quang phổ vạch và quang phổ phát xạ:
Quang phổ vạch phát xạ và quang phổ vạch hấp thụ là hai hiện tượng quan trọng trong lĩnh vực vật lý và hóa học. Hiểu biết về chúng có thể giúp ta hiểu rõ hơn về cấu trúc của các nguyên tử và phân tử, và đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các quá trình vật lý và hóa học.
Trong quang phổ vạch phát xạ, electron sẽ chuyển từ trạng thái có năng lượng cao xuống trạng thái có năng lượng thấp hơn, và phát ra một photon có năng lượng xác định. Các giá trị năng lượng này không liên tục và tạo ra quang phổ vạch riêng rẽ. Quang phổ này có thể được sử dụng để xác định năng lượng của các electron ở các trạng thái khác nhau trong nguyên tử và phân tử. Nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như phân tích hóa học và nghiên cứu vật lý vật liệu.
Trong khi đó, quang phổ vạch hấp thụ là hiện tượng ngược lại với quang phổ vạch phát xạ. Khi electron ở trạng thái năng lượng thấp và được đặt trong một chùm sáng trắng, nó sẽ hấp thụ một số photon có năng lượng phù hợp và gây mất đi một số vạch trong quang phổ liên tục của ánh sáng trắng. Quang phổ vạch hấp thụ cũng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như phân tích hóa học và y học.
Ngoài ra, quang phổ còn có thể được sử dụng để xác định các tính chất của các hạt như proton và neutron. Các quan sát về quang phổ của các nguyên tử và phân tử cũng có thể cung cấp thông tin về môi trường xung quanh chúng. Vì vậy, quang phổ là một công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu các quá trình vật lý và hóa học cũng như trong y học và các lĩnh vực ứng dụng khác. Hiểu biết rõ về quang phổ có thể giúp chúng ta đưa ra những phát hiện mới trong khoa học và ứng dụng chúng để giải quyết những vấn đề thực tế.
3. Quang phổ vạch của nguyên tử Hiđrô:
Quang phổ của nguyên tử Hiđrô là một trong những đề tài được quan tâm nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực vật lý và hóa học. Các dãy phổ quang học của nguyên tử Hiđrô đã được phát hiện trong quá trình nghiên cứu và cung cấp những thông tin quan trọng về cấu trúc và tính chất của nguyên tử này. Dưới đây là chi tiết về ba dãy phổ quang học của nguyên tử Hiđrô:
3.1. Dãy Lai-man:
Dãy phổ Lai-man được tạo ra khi electron chuyển từ các trạng thái năng lượng cao về trạng thái cơ bản (λn1). Các bức xạ thuộc vùng tử ngoại, và được đặc trưng bởi các vạch phát xạ. Dãy Lai-man được đặt tên theo tên của nhà vật lý người Pháp Antoine Lai-man, người đã phát hiện ra dãy phổ này vào năm 1885.
3.2. Dãy Ban-me:
Dãy phổ Ban-me được tạo ra khi electron chuyển từ các trạng thái năng lượng cao về trạng thái kích thích thứ hai (λn2). Các bức xạ trong dãy này nằm trong miền tử ngoại, và bao gồm bốn vạch đầu tiên trong vùng ánh sáng nhìn thấy, gọi là vạch đỏ Hα (λ32), vạch lam Hβ (λ42), vạch lam Hγ (λ52), và vạch chàm Hδ (λ62). Dãy phổ này được đặt tên theo tên của nhà vật lý người Đức Johann Balmer, người đã phát hiện ra mối quan hệ giữa các vạch phát xạ trong dãy phổ này vào năm 1885.
3.3. Dãy Pa-sen:
Dãy phổ Pa-sen được tạo ra khi electron chuyển từ các trạng thái năng lượng cao về trạng thái kích thích thứ ba (λn3). Các bức xạ trong dãy này nằm trong vùng hồng ngoại. Mặc dù không có nhiều vạch phát xạ, dãy phổ này vẫn rất quan trọng trong việc nghiên cứu về quang phổ của nguyên tử Hiđrô. Dãy phổ này được đặt tên theo tên của nhà vật lý người Áo Joseph Paschen, người đã phát hiện ra dãy phổ này vào năm 1908.
Các dãy phổ quang học của nguyên tử Hiđrô không chỉ cung cấp thông tin về cấu trúc và tính chất của nguyên tử này, mà còn có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như việc xác định thành phần của các ngôi sao, tạo ra các loại đèn phát sáng, và nghiên cứu các hiện tượng quang học khác.
