## 7. Bohr

### 7.1 Niels Bohr 1885 - 1962

Bohr en het waterstofatoom .

Welk model was er toen Bohr begon?

Bekijk de animatie.

animatie: http://web.visionlearning.com/custom/chemistry/animations/CHE1.2-an-atoms.shtml

Toen Bohr begon was bekend dat het waterstofatoom bestond uit een heel klein maar zwaar proton (de positieve kern) en een elektron. Het elektron zou als aan een touwtje rond de kern draaien. De middelpuntvliedende kracht voorkomt dat de elektrische aantrekking het elektron op de kern trekt.

Alleen: dit model kan niet! Een van de grote ontdekkingen van de 19e eeuw was geweest dat zo een ronddraaiende elektrische lading werkt als een zender van elektromagnetische straling. Op dit principe zijn onze radio's, televisies en mobiele telefoons gebaseerd, in feite alles wat draadloos communiceert. Dat principe wordt iedere dag weer opnieuw getest en blijkt steeds te werken!

Probleem 1

Maar het uitzenden van die straling kost energie, een mobiele telefoon moet daarom steeds opgeladen worden. Als het elektron in het waterstofatoom straling zou uitzenden zou het ook energie kwijtraken, het zou langzamer gaan draaien en op de kern vallen. Dat gebeurt niet bij atomen. Als je atomen met rust laat, stralen ze niet en klappen ze niet in elkaar.

Probleem 2

Een ander probleem is dat atomen wel gaan stralen als je ze heel erg verhit.

Als een heet voorwerp licht uitzendt ( gloeit) ontstaan een continu spectrum (de kleuren lopen in elkaar over). Aan de kleur kun je zien hoe heet een voorwerp is, witgloeiend is heter dan roodgloeiend . Voor deze spectra had Planck in 1900 een heel nieuwe theorie opgesteld over de aard van licht. Hij stelde dat licht bestaat uit kleine vaste pakketjes, kwanta genoemd. Die pakketjes kregen de naam fotonen.
De messcherpe lijnspectra (BINAS 20) krijg je alleen van gloeiend gassen waarin de atomen helemaal los van elkaar zijn. Het blijkt dat elke atoomsoort een heel eigen soort straling uitzendt.

Die lijnen noemt men de spectraallijnen. Elke atoomsoort heeft een uniek spectrum, vergelijkbaar met vingerafdrukken. Die lijnen kun je gebruiken om elementen aan te tonen. Dat kan met een gasbrander en een platinadraadje met daarop wat van de stof die je wilt onderzoeken. http://nl.wikipedia.org/wiki/Atomaire-emissiespectrometrie. Astronomen doen het anders.

Maar wat veroorzaakte die messcherpe spectraallijnen?

Bohr dankt zijn roem aan de oplossing voor beide problemen. Tenminste voor het waterstofatoom.

Waarom is het waterstofatoom stabiel en hoe verklaar/bereken je de spectraallijnen?

Bohr besloot dat als voor atomen en elektronen de bestaande regels niet voldeden, er nieuwe regels moesten komen, regels die verklaarden waarom atomen waren zoals ze waren.

Bohr stelde de regel op dat er voor het elektron in het waterstofatoom bepaalde banen mogelijk zijn waarbij het elektron geen energie verliest. Normaal zit het elektron in de baan die het dichtst bij de kern zat, de grondtoestand. In die toestand is het atoom stabiel, gebeurt er niets. Als door een oorzaak van buiten het elektron een zet krijgt (energie opneemt) kan het elektron naar een hoger gelegen baan springen maar alleen daarheen, niet ergens tussenin. Zo een “aangeslagen” elektron kan weer terugvallen naar de oorspronkelijke baan. Dan moet het elektron wel de overtollige energie kwijt en die energie geeft het elektron af door een portie licht (lichtkwantum, een foton) uit te zenden. Zo ontstaan die scherpe spectraallijnen. Elke lijn hoort bij een overgang tussen twee banen. Het energieverschil tussen de twee banen is precies de energie van het uitgezonden lichtkwantum.

Bohr's model kon de plaats van de spectraallijnen in het waterstofspectrum exact berekenen. Voor atomen met meer elektronen bleek dat vooralsnog onmogelijk. Dat zijn model voor waterstof klopte was goed genoeg voor de Nobelprijs in 1922.

Andere wetenschappers zochten naar wiskundige modellen voor het rekenen aan atomen met meer elektronen in de lijn van Bohr.

Dat werd de kwantummechanica. Volgens die kwantummechanica moet je een elektron in een atoom niet meer zien als een balletje dat aan een touwtje vastzit en dus op een vaste afstand rond de kern vliegt, maar als een balletje dat aan een elastiek zit, alle kanten opzwiept en binnen bepaalde grenzen overal kan zitten. Helemaal geen vaste baan meer.
Toch wordt het model van de banen (beter is de term schillen) nog veel gebruikt, met name om bij atomen met meer dan een elektron, die elektronen te kunnen indelen en het Periodiek Systeem te kunnen verklaren.

De kwantummechanica is tegenwoordig algemeen geaccepteerd. Dat was in de tijd van Bohr niet zo. Veel wetenschappers - met Einstein als de bekendste tegenstander - wilden niet geloven dat die kwantummechanica deugde.

Bohr heeft zich ingespannen om de kwantummechanica geaccepteerd te krijgen en in gesprek te blijven met de tegenstanders. Beroemd zijn z’n discussies met Einstein die voortdurend fouten probeerde te vinden in de kwantummechanica. Bohr wist steeds de kritiek te pareren.

Zie tekst over Pais ( Pais over Bohr) en het interview met Pais:

Om een idee te krijgen van Bohr's model is de animatie

http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/applets/Bohr/frame.html

###

### Opdracht 1

Bekijk de onderstaande animatie en beantwoord de onderstaande vragen.

Niels Bohr probeerde oplossingen te bedenken voor deze verschijnselen. Bohr kwam met de conclusie dat het bestaan van een waterstofatoom niet verklaard kon worden met de theorie die toen bekend was. Er moesten nieuwe theorieën komen die verklaarden waarom atomen kunnen bestaan en waarom ze waren zoals ze waren, bijvoorbeeld licht uit kunnen zenden wanneer ze verhit worden.

Om dit probleem te kunnen oplossen introduceerde Bohr een model om dit te verklaren. Hij heeft hierbij drie stellingen opgesteld.

1. Je gaat aan de hand van een applet twee van deze drie stellingen opstellen. Ga naar de onderstaande link, bestudeer de applet en probeer de eerste twee stellingen op te stellen.

Applet: http://www3.nd.edu/~ysun/Yang/PhysicsAnimation/collection/bohrP.swf

Bohr gebruikte in plaats van banen een andere benaming namelijk schillen. Elk schil heeft een bepaald rangnummer, het schilnummer dat met n aangegeven wordt. Zo heb je een schil met n=1. Dit noemen we de grondtoestand en is het schil dat het dichtst bij de positieve kern zit. Je kunt het tweede schil met n=2 aangeven en zo ook de andere schillen een nummer geven.

2. Je gaat met behulp van de applet onderzoeken wanneer er sprake is van absorptie en emissie van licht. Vul de onderstaande tabel in.

Applet: http://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::800::600::/sites/dl/free/0072482621/59229/Bohr_Nav.swf::The%20Bohr%20Atom

Overgang banen | Golflengte van het geabsorbeerde licht | Golflengte van het geëmitteerde licht
n=1 naar n=2 |  |
n=2 naar n=1 |  |
n=1 naar n=3 |  |
n=3 naar n=1 |  |
n=1 naar n=4 |  |
n=4 naar n=1 |  |

Volgens de derde stelling van Bohr kun je het energieverschil tussen de schillen berekenen met de formule ΔE = hf.

ΔE is het energieverschil tussen twee energieniveaus f de frequentie van het uitgezonden licht en h de constante van Planck. De constante van Planck is 6,62606957 . 10-34 J.s.

3. a) Bereken de energieverschillen bij vraag 2. b)Welke conclusie kun je trekken?

4. Wanneer zendt een atoom licht uit? als het elektron naar een meer baar buiten gelegen baan springt of als het elektron terugvalt naar een meer naar binnen gelegen baan?

### Opdracht 2

Practicum Spectroscopie

De antwoorden bij opdracht 1 (Bohr)