Evoluzione del modello atomico: da Bohr alle nuove scoperte

_martina.mazzotta
di _martina.mazzotta
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Scopri l'evoluzione del modello atomico, dall'innovativo approccio di Bohr, che introduce orbite quantizzate per gli elettroni, alle fondamentali scoperte della teoria quantistica di Planck, che hanno trasformato la comprensione della fisica moderna.

Concetti Chiave

  • Il modello atomico di Bohr introduce orbite stazionarie per gli elettroni, che si muovono senza emettere energia, basandosi sulla teoria quantistica di Planck.
  • Bohr spiega che gli elettroni possono scambiare energia con l'esterno solo durante il passaggio tra orbite, emettendo fotoni quando tornano a orbite di energia inferiore.
  • La teoria quantistica di Planck, che considera l'energia emessa dai corpi come discreta e legata alla frequenza, affronta il paradosso della catastrofe ultravioletta.
  • Le scoperte di De Broglie e Heisenberg, riguardanti la natura ondulatoria degli elettroni e il principio di indeterminazione, mettono in discussione il modello di Bohr.
  • Il modello di Bohr ha rivoluzionato la comprensione atomica, ma è stato superato da teorie più avanzate che considerano la dualità onda-particella e l'incertezza quantistica.

Il modello atomico successivo a quello di Rutherford è il modello proposto da Bohr il quale, basandosi sul modello di Rutherford stesso e sulla teoria quantistica di Max Planck, ipotizza l'esistenza di orbite stazionarie nelle quali gli elettroni si muovono senza emettere energia.

Vediamo, in breve, quali sono le basi su cui Bohr costruisce il proprio modello atomico.

Spettri e teoria quantistica

In quel periodo molti fisici stavano studiando i due diversi tipi di spettri, quelli continui e quelli a righe.

Un fascioè di luce emesso da una sorgente luminosa, se attraversa un prisma trasparente, viene scomposto nelle radiazioni che lo costituiscono che sono deviate con un angolo che dipende dalla loro frequenza. Ad esempio, Anche gli elementi in fase gassosa, se eccitati o riscaldati, emettono luce. In questi casi, scomponendo la luce emessa con un prisma si osserva un numero ridotto di frequenze che sono caratteristiche dell'elemento considerato (spettro discontinuo).

Corpo nero e catastrofe ultravioletta

La teoria quantistica di Planck si fonda sullo studio dello spettro dei corpi neri. Se noi consideriamo un corpo, che sia un solido o un gas compresso, e lo riscaldiamo, osserviamo un cambiamento di colore del corpo in esame che dipende dalla temperatura. Si definisce corpo nero un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente senza rifletterla. Questo significa che tutta la radiazione che viene emessa da un corpo nero è dovuta alla sua temperatura.

Lo spettro di un corpo nero ha una forma a campana e dipende esclusivamente dalla sua temperatura; all'aumentare della temperatura avrò una emissione di radiazioni ad energia maggiore. Tuttavia, secondo la teoria classica dell'epoca, un corpo nero sufficientemente caldo dovrebbe emettere radiazioni elettromagnetiche a intensità infinita. Questo paradosso fu definito 'catastrofe ultravioletta'.

La spiegazione arrivò da Planck il quale afferma che l'energia che viene emessa dai corpi è discreta, viene emessa sotto forma di quantità di pacchetti chiamati quanti, e assume valori legati alla frequenza della radiazione secondo la seguente equazione:

dove h = 6,626 x 10-34 J x s è la costante di Planck

Principi del modello di Bohr

Bohr, partendo dallo studio degli spettri, basandosi sul modello di Rutherford e sulle scoperte di Planck, propone il proprio modello secondo cui:

  • gli elettroni si muovono intorno al nucleo su orbite fisse e quantizzate (ossia dotate di energia predefinita);

  • gli elettroni non emettono né assorbono energia;

  • l'atomo può scambiare energia con l'esterno solo se un suo elettrone passa da un'orbita stazionaria ad un'altra. L'elettrone che acquisisce energia salta su un'orbita a maggiore energia. Questo elettrone però è instabile e quindi deve tornare nell'orbita dove si trovava prima, a più bassa energia e quindi salta ad un livello energetico inferiore. Questo salto prevede l'emissione di un fotone di energia pari alla differenza di energia tra le due orbite.

Modello di Bohr. Salto d'orbita di un elettrone

Dunque, gli scambi di energia tra un atomo e l'ambiente che lo circonda avvengono per assorbimento o emissione di un fotone con energia pari a hv . Il modello di Bohr è esemplificato nella seguente immagine:

Modello atomico di Bohr. Emissione o assorbimento di un fotone.

Scoperte che sfidano Bohr

Questo modello verrà successivamente messo in discussione dall'avvento di due importanti scoperte:

  • gli elettroni, come la luce, hanno una natura ondulatoria-particellare. Quindi era possibile associare alla massa dell'elettrone una lunghezza d'onda (De Broglie);

  • è impossibile conoscere simultaneamente la posizione e la velocità dell'elettrone (principio di indeterminazione di Heisenberg) poiché se io volessi individuare la posizione di un elettrone dovrei illuminarlo con un fotone, che rappresenta energia. Questo fotone verrebbe acquisito come uno stimolo eccitatorio che farebbe deviare l'elettrone dalla traiettoria in cui si trova.

Studia con la mappa concettuale

Domande da interrogazione

  1. Qual è il principale contributo di Bohr al modello atomico?

    2. Bohr propone che gli elettroni si muovono in orbite fisse e quantizzate attorno al nucleo, senza emettere o assorbire energia, e che l'energia può essere scambiata solo durante i salti tra orbite (come descritto nel testo).

  2. Come si spiega la catastrofe ultravioletta secondo la teoria classica?

    3. La teoria classica sosteneva che un corpo nero sufficientemente caldo dovesse emettere radiazioni elettromagnetiche a intensità infinita, un paradosso che fu risolto da Planck con l'idea che l'energia è emessa in pacchetti discreti chiamati quanti (come indicato nel testo).

  3. Qual è la relazione tra temperatura e spettro di un corpo nero?

    4. Lo spettro di un corpo nero ha una forma a campana che dipende esclusivamente dalla temperatura; all'aumentare della temperatura, aumenta l'emissione di radiazioni ad energia maggiore (come spiegato nel testo).

  4. Quali scoperte hanno messo in discussione il modello di Bohr?

    5. Due scoperte chiave hanno sfidato il modello di Bohr: la natura ondulatoria-particellare degli elettroni (De Broglie) e il principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma l'impossibilità di conoscere simultaneamente la posizione e la velocità di un elettrone (come menzionato nel testo).

  5. Come avviene lo scambio di energia tra un atomo e l'ambiente secondo Bohr?

    6. Lo scambio di energia avviene tramite l'assorbimento o l'emissione di un fotone, con energia pari alla differenza di energia tra le orbite stazionarie degli elettroni (come descritto nel testo).

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