Atomo di Bohr

Nel 1913 Bohr decise di studiare l’atomo, in particolare quello più semplice, cioè idrogeno (H), per approfondire il modello di Rutherford e per capire perché la materia non collassa (gli elettroni non cadono sui protoni nel nucleo).
Per farlo studia la luce emessa dall'idrogeno rarefatto posto in un tubo. L’idrogeno è utilizzato rarefatto per avere meno atomi possibile. La luce emessa viene fatta passare attraverso un prisma.

Bohr osserva che alcune lunghezze d’onda vengono assorbite perché sullo spettro mancano alcuni colori (considera la luce visibile). Questo spettro è chiamato spettro a righe (in contrapposizione allo spettro contino proprio della luce del Sole e dei solidi/liquidi portati all'incandescenza) ed è caratteristico di ogni elemento chimico.
Da questo esperimento Bohr capisce che la luce ha a che fare con gli elettroni. Le osservazioni che fa per spiegare lo spettro a righe sono:

gli elettroni si muovono solo su determinate orbite stazionarie (in seguito definiti orbitali da Broglie). Quando si trovano su di esse, gli elettroni non assorbono ne emettono energia. È per questo che la materia non collassa;

le orbite sono quantizzate (a ciascuno corrisponde una precisa quantità di energia);

gli elettroni, per spostarsi su un’orbita di livello energetico più altro, devono assorbire energia (attraverso il calore o una scarica elettrica);

gli elettroni, per spostarsi su un’orbita di livello energetico più basso devono cedere energia emettendo un quanto (con una precisa frequenza che compare sullo spettro);

l’energia del quanto è la differenza tra le energie delle due orbite.

I livelli di energia dipendono dal numero quantico principale, che può essere solo intero.
Il livello di energia più basso è lo stato fondamentale. Non esistono orbite intermedie. I livelli di energia superiori allo stato fondamentale sono chiamati "stati eccitati".
Gli elettroni possono tornare allo stato fondamentale direttamente oppure passando per tutti i livelli compresi tra quello su cui si trovano e quello dello stato fondamentale.
Il modello di Bohr non spiega però lo spettro a righe degli altri elementi.

Atomo di de Broglie

Secondo Broglie l’elettrone si comporta a volte come un’onda e altre come una particella. Rinuncia a dare una struttura precisa dell’elettrone; infatti, scompare il concetto di orbita e compare quello di orbitale. L’orbitale è una zona dello spazio in cui si ha un’elevata probabilità di trovare elettroni.
I livelli energetici sono al massimo sette e ogni livello è caratterizzato da uno o più orbitali che possono contenere un numero massimo di elettroni.
Gli orbitali hanno forma diversa.
Gli orbitali s sono sferici e sono presenti in tutti i livelli. Essendo sferici non hanno un orientamento. Al centro della sfera si trova il nucleo.
Gli orbitali p sono piriformi (formati da due lobi con il nucleo al loro centro). Possono essere tre, orientati lungo gli assi cartesiani (x; y; z).
Gli orbitali d hanno la forma a quattro lobi con al centro il nucleo. Possono essere cinque, in base all’orientamento assunto.
Gli orbitali f possono essere sette e hanno una forma complessa che assomiglia a quella degli orbitali d ma con due lobi in più.

Configurazione elettronica degli elementi

Si tratta della rappresentazione degli orbitali occupati dagli elettroni negli atomi o negli ioni.
Ogni atomo allo stato fondamentale ha gli elettroni sugli orbitali a livello energetico più basso, disposti fino al numero massimo di ciascun orbitale.
Per esempio la configurazione elettronica dell’alluminio (numero atomico 13, quindi tredici elettroni) è:

Sul primo livello c’è un solo orbitale sferico su cui il numero massimo è di due elettroni. Sul secondo livello si trovano un orbitale sferico e tre orbitali di forma piriforme (p), su ciascuno dei quali sono posizionati due elettroni. Al terzo livello gli orbitali occupati sono due, il primo sferico con due elettroni e l’orbitale p sull'asse x con un solo elettrone.
Si può anche dire che gli elettroni al secondo livello sull'orbitale p sono in generale sei, senza specificare su quale asse si trovano.