Modelo Atómico de Bohr

El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo. Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford).

Bohr unió la idea de átomo nuclear de Rutherford con las ideas de una nueva rama de la Ciencia: la Física Cuántica. Así, en 1913 formuló una hipótesis sobre la estructura atómica en la que estableció tres postulados:

  • El electrón no puede girar en cualquier órbita, sino sólo en un cierto número de órbitas estables. En el modelo de Rutherford se aceptaba un número infinito de órbitas.

  • Cuando el electrón gira en estas órbitas no emite energía.

  • Cuando un átomo estable sufre una interacción, como puede ser el imapacto de un electrón o el choque con otro átomo, uno de sus electrones puede pasar a otra órbita estable o ser arrancado del átomo.

El átomo de hidrógeno según el modelo atómico de Bohr

  • El átomo de hidrógeno tiene un núcleo con un protón.

  • El átomo de hidrógeno tiene un electrón que está girando en la primera órbita alrededor del núcleo. Esta órbita es la de menor energía.

  • Si se le comunica energía a este electrón, saltará desde la primera órbita a otra de mayor energía. cuando regrese a la primera órbita emitirá energía en forma de radiación luminosa.


En 1913, Bohr propuso su modelo atómico en base, esencialmente, a la detenida observación del espectro de emisión del átomo de hidrógeno. El científico observó que las líneas discretas o discontinuas del espectro, a longitudes de onda muy concretas, no era congruente con la mecánica clásica. Este hecho hacía pensar dos cosas: que los espectros atómicos dependen de la estructura del átomo (cada elemento presenta un espectro distinto) y que la mecánica clásica no es válida para explicar la estructura atómica.

Los postulados del modelo atómico de Bohr o de la teoría atómica de Bohr son esencialmente tres:

1. En un átomo, un electrón sólo puede tener ciertos estados de movimiento definidos y estacionarios. En cada uno de ellos tiene una energía fija. Estos estados reciben el nombre de niveles energéticos principales o niveles cuánticos principales.

2. En cualquiera de esos estados, el electrón se mueve describiendo órbitas circulares alrededor del núcleo, siendo únicamente posibles aquellas órbitas en las que se cumple que el momento angular del electrón es un múltiplo de h (constante de Planck), es decir, L = nh(2p) (p = pi). Cada valor de n (número entero) corresponde a un nivel energético, siendo el nivel de n= 1 el más próximo al núcleo y menos energético.

3. Un electrón puede pasar de una órbita a otra absorbiendo energía (si pasa de un nivel inferior a uno superior) o emitiendo energía en forma de fotón de energía igual a la diferencia entre los dos niveles energéticos. Al paso de un electrón de un nivel de energía a otro se le denomina transición electrónica.


Un átomo tiene una dimensión del orden de 10-9 m. Está compuesto por un núcleo relativamente pesado (cuyas dimensiones son del orden de 10-14 m) alrededor del cual se mueven los electrones, cada uno de carga –e (1.6 10-19 C), y de masa me (9.1·10-31 kg).

El núcleo está compuesto por protones y neutrones. El número Z de protones coincide con el número de electrones en un átomo neutro. La masa de un protón o de un neutrón es aproximadamente 1850 veces la de un electrón. En consecuencia, la masa de un átomo es prácticamente igual a la del núcleo.

Sin embargo, los electrones de un átomo son los responsables de la mayoría de las propiedades atómicas que se reflejan en las propiedades macroscópicas de la materia.

El movimiento de los electrones alrededor del núcleo se explica, considerando solamente las interacciones entre el núcleo y los electrones (la interacción gravitatoria es completamente despreciable).

Consideremos dos electrones separados una distancia d, y comparemos la fuerza de repulsión eléctrica con fuerza de atracción entre sus masas.

La intensidad de la interacción gravitatoria es despreciable frente a la interacción electromagnética.

Modelo Atómico de Niels Bohr

El modelo de Bohr es muy simple y recuerda al modelo planetario de Copérnico, los planetas describiendo órbitas circulares alrededor del Sol. El electrón de un átomo o ión hidrogenoide describe también órbitas circulares, pero los radios de estas órbitas no pueden tener cualquier valor.

Consideremos un átomo o ión con un solo electrón. El núcleo de carga Ze es suficientemente pesado para considerarlo inmóvil,

Si el electrón describe una órbita circular de radio r, por la dinámica del movimiento circularuniforme

En el modelo de Bohr, solamente están permitidas aquellas órbitas cuyo momento angular está cuantizado.

n es un número entero que se denomina número cuántico, y h es la constante de Planck 6.6256·10-34 Js

Los radios de las órbitas permitidas son

donde a0 se denomina radio de Bohr. a0 es el radio de la órbita del electrón del átomo de Hidrógeno Z=1 en su estado fundamentaln=1.

La energía total es

En una órbita circular, la energía total E es la mitad de la energía potencial

La energía del electrón aumenta con el número cuántico n.

La primera energía de excitación es la que lleva a un átomo de su estado fundamental a su primer (o más bajo) estado excitado. La energía del estado fundamental se obtiene con n=1, E1= -13.6 eV y la del primer estado excitado con n=2, E2=-3.4 eV. Las energías se suelen expresar en electrón-voltios (1eV=1.6 10-19 J)

La frecuencia f de la radiación emitida cuando el electrón pasa del estado excitado E2 al fundamental E1 es

¿Quién fue Niels Bohr?

Niels Henrik David Bohr

Nacimiento

7 de octubre de 1885Copenhague, Dinamarca

Fallecimiento

18 de noviembre de1962, 77 años ibíd.

Residencia

Dinamarca

Nacionalidad

Danesa

Campo

Física

Instituciones

Universidad de Copenhague

Alma máter

Universidad de Copenhague

Supervisor doctoral

Christian Christiansen

Conocido por

Realizar importantes contribuciones para la comprensión de la estructura del átomo.

Premiosdestacados

Premio Nobel de Física en 1922

Niels Henrik David Bohr (Copenhague, 7 de octubre de 1885 – ibíd. 18 de noviembre de 1962) fue un físico danés que realizó contribuciones fundamentales para la comprensión de la estructura del átomo y la mecánica cuántica.

Biografía

Hijo de Christian Bohr y Ellen Adler. Tras doctorarse en la Universidad de Copenhague en 1911, completó sus estudios en Manchester, Inglaterra a las órdenes de Ernest Rutherford. Basándose en las teorías de éste, publicó su modelo atómico en 1913, introduciendo la teoría de los orbitales electrónicos en torno al núcleo atómico de forma que los orbitales exteriores contaban mayor número de electrones que los próximos al núcleo.

En su modelo, además, lo electrones podían caer desde un orbital exterior a otro interior, emitiendo un fotón de energía discreta, hecho sobre el que se sustenta la mecánica cuántica.

En 1916, Bohr comenzó a ejercer de profesor en la Universidad de Copenhague, accediendo en 1920 a la dirección del recientemente creado Instituto de Física Teórica.

En 1922 recibió el Premio Nobel de Física por el desarrollo de su interpretación de la mecánica cuántica (llamada interpretación de Copenhague).

Bohr, además concibió el principio de la complementariedad según el cual los fenómenos pueden analizarse de forma separada cuando presentan propiedades contradictorias. Así por ejemplo, los físicos, basándose en este principio, concluyeron que la luz presentaba una dualidad onda-partícula mostrando propiedades mutuamente excluyentes según el caso.

Para este principio, Bohr encontró además aplicaciones filosóficas que le sirvieron de justificación. No obstante, la física de Bohr y Max Planck no era del gusto de Albert Einstein que prefería la claridad y la certidumbre de la de formulación clásica.

Uno de los más famosos estudiantes de Bohr fue Werner Karl Heisenberg que se convirtió en líder del projecto alemán de bomba atómica. Durante la ocupación nazi de Dinamarca, Bohr permaneció allí a pesar de tener ascendencia judía. En 1941 Bohr recibió la visita de Heisenberg en Copenhague, sin embargo no llegó a comprender su postura; Heisenberg y la mayoría de los físicos alemanes estaban a favor de impedir la producción de la bomba atómica para usos militares, aunque deseaban investigar las posibilidades de la tecnología nuclear.

En 1943 Bohr escapó a Suecia para evitar su arresto, viajando posteriormente a Londres. Una vez a salvo, apoyó los intentos angloamericanos para desarrollar armas atómicas, en la creencia errónea de que la bomba alemana era inminente, y trabajó en Los Álamos, Nuevo México (EE.UU.) en el Proyecto Manhattan.

Después de la guerra, abogando por los usos pacíficos de la energía nuclear, retornó a Copenague, ciudad en la que residió hasta su fallecimiento en 1962.

La obra Copenhagen, escrita por Michael Frayn y representada durante un tiempo en Broadway, versaba sobre lo que pudo ocurrir en el encuentro que mantuvieron Bohr y Heisenberg en 1941.

El elemento químico Bohrio se llamó así en su honor.

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