Mẫu nguyên tử Bo, Các tiên đề của Bo về cấu tạo nguyên tử - Vật lý 12 bài 33

Vậy mẫu nguyên tử Bo có mô hình như thế nào? Các tiên đề của Bo về cấu tạo nguyên tử (gồm 2 tiên đề: Tiên đề về các trạng thái dừng và Tiên về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử) được phát biểu như thế nào? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết này.

I. Mô hình hành tinh của nguyên tử

- Năm 1911, sau nhiều công trình nghiên cứu, Rơ-dơ-pho (Rutherford) đề xướng mẫu hành tinh nguyên tử. Theo Rơ-dơ-pho nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương nằm ở chính giữa, xung quanh có các electron mang điện tích âm chuyển động trên các quỹ đạo tròn hay elip giống như hệ Mặt Trời nên gọi là mẫu hành tinh nguyên tử.

- Tuy nhiên, mẫu hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho gặp phải khó khăn là không giải thích được tính bền vững của các nguyên tử và sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử.

- Năm 1913, Bo đã vận dụng thuyết lượng tử ánh sáng vào hệ thống nguyên tử và đề ra mẫu nguyển tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bo.

- Mẫu nguyên tử Bo vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho và hai tiên đề của Bo.

II. Các tiên đề của Bo về cấu tạo nguyên tử

1. Tiên đề về các trạng thái dừng

• Nguyên tử chỉ tồn tại ở trong các trạng thái có năng lượng xác định gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ.

• Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng.

- Bán kính quỹ đạo dừng của electron trong nguyên tử Hydro:

 r_n =n².r₀ với n là số nguyên và r₀ = 5,3.10^-11(m) là bán kính Bo.

- Bình thường, nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản. Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích. Thời gian nguyên tử ở trạng thái kích thích rất ngắn (chỉ vào cỡ 10^-8s), sau đó nguyên tử chuyển về trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn và cuối cùng về trạng thái cơ bản.

2. Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử

• Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng (E_n) sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn (E_m) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu E_n - E_m: ε = hf_nm = E_n - E_m

• Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng E_m mà hấp thụ được một photon có năng lượng đúng bằng hiệu E_n-E_m thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao E_n.

III. Quang phổ phát xạ và hấp thụ của nguyên tử Hydro.

• Mẫu nguyên tử Bo đã giải thích được các quy luật của quang phổ nguyên tử Hydro (về quang phổ vạch phát xạ và quang phổ vạch hấp thụ).

* Giải thích sự tạo thành quang phổ vạch phát xạ:

• Khi êlectron chuyển tử mức năng lượng cao (E_cao) xuống mức năng lượng thấp hơn (E_thấp) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng hoàn toàn xác định: hf = E_cao - E_thấp.

• Mỗi phôtôn có tần số f ứng với một sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = c/f, tức là ứng với một vạch quang phổ có một màu nhất định. Vì vậy quang phổ của nguyên tử Hydro lúc này là quang phổ phát xạ.

* Giải thích sự tạo thành quang phổ vạch hấp thụ:

• Ngược lại, nếu một nguyên tử hydro đang ở mức năng lượng E_thấp nào đó mà nằm trong một chùm ánh sáng trắng, trong đó có tất cả các phôtôn có năng lượng từ lớn đến nhỏ khác nhau, thì lập tức nguyên tử đó sẽ hấp thụ ngay một phôtôn có năng lượng phù hợp ε = E_cao - E_thấp để chuyển lên mức năng lượng E_cao.

Như vậy, một sóng ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối. Do đó, quang phổ hấp thụ của nguyên tử hydro cũng là quang phổ vạch.

IV. Bài tập vận dụng các tiên đề của Bo, mẫu nguyên tử Bo.

* Bài 1 trang 169 SGK Vật Lý 12: Mẫu nguyên tử Bo khác mẫu nguyên tử Rơ – dơ – pho ở điểm nào?

° Lời giải:

- Mẫu nguyên tử của Bo khác mẫu nguyên tử Rơ-dơ-pho là hệ thống nguyên tử bị chi phối bởi những quy luật có tính lượng tử (hai tiên đề của Bo về cấu tạo nguyên tử: Tiên đề về các trạng thái dừng và tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử), còn trong mẫu nguyên tử Rơ-dơ-pho thì không có điều này.

* Bài 2 trang 169 SGK Vật Lý 12: Trình bày tiên đề Bo về các trạng thái dừng.

° Lời giải:

- Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ.

- Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng.

* Bài 3 trang 169 SGK Vật Lý 12: Trình bày tiên đề Bo về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử?

° Lời giải:

- Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng (E_n) sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn (E_m) thì nó phát ra một photon có năng lượng đúng bằng hiệu E_n - E_m (ε = h.f_m = E_n - E_m)

- Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trong trạng thái điểm dừng có năng lượng E_m mà hấp thụ được một photon có năng lượng đúng bằng hiện E_n - E_m thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao E_n.

* Bài 4 trang 169 SGK Vật Lý 12: Chọn câu đúng. Trạng thái dừng là

A. trạng thái electron không chuyển động quanh hạt nhân.

B. trạng thái hạt nhân không dao động.

C. trạng thái đứng yên của nguyên tử.

D. trạng thái ổn định của hệ thống nguyên tử.

° Lời giải:

¤ Chọn đáp án đúng: D.trạng thái ổn định của hệ thống nguyên tử.

- Trạng thái dừng là nguyên tử không bức xạ, không hấp thụ nên đó là trạng thái ổn định của hệ thống nguyên tử.

* Bài 5 trang 169 SGK Vật Lý 12: Xét ba mức năng lượng E_K, E_L và E_M của nguyên tử hidro (H.33.2). Một photon có năng lượng bằng E_M – E_K bay đến gặp nguyên tử này.Nguyên tử sẽ hấp thụ photon và chuyển trạng thái như thế nào?

A. Không hấp thụ

B. Hấp thụ nhưng không chuyển trạng thái.

C. Hấp thụ rồi chuyển dần từ K lên L rồi lên M.

D. Hấp thụ rồi chuyển thẳng từ K lên M.

° Lời giải:

¤ Chọn đáp án: D. Hấp thụ rồi chuyển thẳng từ K lên M.

- Theo tiên đề Bo, khi nguyên tử hấp thụ năng lượng bằng hiệu E_M – E_K thì nó sẽ chuyển từ K (có mức năng lượng E_K) lên M (có mức năng lượng E_M).

* Bài 6 trang 169 SGK Vật Lý 12: Có một đám nguyên tử của một nguyên tố mà mỗi nguyên tử có ba mức năng lượng E_K, E_L và E_M như hình 33.2. Chiếu vào đám nguyên tử này một chùm sáng đơn sắc mà mỗi photon trong chùm có năng lượng là ε = E_M – E_K. Sau đó nghiên cứu quang phổ phát xạ của đám nguyên tử trên. Ta sẽ thu được bao nhiêu vạch quang phổ?
A. Một vạch     B. Hai vạch

C. Ba vạch      D. Bốn vạch

° Lời giải:

¤ Chọn đáp án: C. Ba vạch

- Khi nguyên tử hấp thụ photon có năng lượng ε = E_M – E_K thì nó sẽ chuyển từ mức K lên mức M, sau đó các nguyên tử dao động trong một khoảng thời gian ngắn rồi chuyển về quỹ đạo có mức năng lượng thấp hơn.

- Khi nguyên tử chuyển từ M xuống L thì phát ra vạch quang phổ có năng lượng E_M – E_L.

- Khi nguyên tử chuyển L xuống K thì phát ra vạch quang phổ có năng lượng E_L – E_K.

- Khi nguyên tử chuyển M xuống K thì phát ra vạch quang phổ có năng lượng E_M – E_K.

* Bài 7 trang 169 SGK Vật Lý 12: Ion crom trong hồng ngọc phát ra ánh sáng đỏ có bước sóng 0,694 μm. Tính hiệu giữa hai mức năng lượng mà khi chuyển giữa hai mức độ, ion crom phát ra ánh sáng nói trên.

° Lời giải:

- Hiệu giữa 2 mức năng lượng:

→ Vậy mức năng lượng khi chuyển giữa 2 trạng thái là 1,79(eV).