Bohr model

 

In the early 20th century, experiments by Ernest Rutherford established that atoms consisted of a diffuse cloud of negatively charged electrons surrounding a small, dense, positivelcharged nucleus. Given this experimental data, Rutherford naturallconsidered a planetary-model atomthe Rutherford model of 1911  electrons orbiting a solar nucleus  however, said planetary- model atom has technical difficulty. The laws oclassical mechanics (i.e. the Larmor formula), predict that the electron will release electromagnetic radiation while orbiting a nucleus. Becaustheelectron would lose energy, it would rapidlspiral inwards, collapsing into the nucleus on a timescale of around 16 picoseconds. This atom model is disastrous, because it predicts that all atomare unstable.

Also, as the electron spirals inward, the emission would rapidly increase in frequency as the orbit got smaller and faster. This would produce a continuous smear, in frequency, oelectromagnetiradiation. However, late 19th century experiments with electric discharges have shownthaatomwill only emit ligh(thais, electromagnetic radiation) acertain discrete frequencies.

To overcomthis difficulty, Niels Bohr proposed, in 1913, what is now called the Bohr model of the atomHe suggestethaelectrons could only have certaiclassicamotions:

1.    Electrons iatoms orbit the nucleus.

 

2.    The electrons can only orbit stably, without radiating, in certain orbits (called by Bohr the "stationarorbits") at a certain discrete set of distances from the nucleus. These orbits are associated with definite energies and are also called energy shells or energlevels. In these orbits, theelectron's acceleration does not result in radiation and energloss as required bclassicaelectromagnetics.

3.    Electrons can only gain and lose energy by jumping from one allowed orbit to anotherabsorbing  or  emitting  electromagneti radiation  wit  frequency  ν  determine by  the energy difference of the levelaccording tthe Plancrelation:

 

 

Where h is Planck's constant. The frequency of the radiation emitted at an orbit of period T is as it would be iclassicamechanics; it ithe reciprocal of the classical orbit period:

 

 

The significance of the Bohr model is that the laws of classical mechanics applto the motion of the electron about the nucleus only when restricted by a quantum rule. Although rule 3 is not completelwell defined for small orbits, because the emission process involves two orbits wittwo different periods, Bohr could determine the energy spacing between levels using rule 3 and come to an exactlcorrect quantum rule: the angular momentum L is restricted to be an integemultiple of a fixed unit:

 

 

 

 

Where n = 1, 2, 3, is called the principal quantum number, and ħ = h/2π. The lowest value of n is 1; thigives a smallest possible orbitaradius of 0.0529 nm known athe Bohr radius. Once aelectron is in thilowest orbit, it can get no closer to the proton. Starting from the angular momentum quantum rule, Bohr was ablto calculatthe energies of the allowed orbits of the hydrogeatom and other hydrogen-like atomand ions. Other pointare:

 

1.   Like Einstein's theory of the Photoelectric effect, Bohr's formula assumes that during a quantum jump a discrete amount of energis radiated. However, unlike Einstein, Bohr stucto the classical Maxwell theory of the electromagnetic field. Quantization of the electromagneticfield was explained by the discreteness of the atomic energy levels; Bohr did not believe ithe existence of photons.

2.   According tthe Maxwell theory the frequency ν of classical radiation iequatthe rotation frequency  νro of  the  electron  i it orbit wit harmonic a intege multiple of  thifrequency. This result is obtained from the Bohr model for jumps between energlevels En andEnk when k is much smaller than n. These jumps reproduce the frequencof the k-th harmonic of orbit n. For sufficientllarge values of n (so-called Rydberg states), the two orbits involved in the emission process have nearlthe same rotation frequency, so that the classical orbitalfrequencis not ambiguous. But for small n (or large k), the radiation frequency has no unambiguous classical interpretation. This marks the birth of the correspondence principle, requiring quantum theorto agree with the classical theory onlithe limit of large quantum numbers.

3.   The Bohr-Kramers-Slater theory (BKS theory) is a failed attempt to extend the Bohr modewhic violate the  conservation  of  energy and  momentum  i quantu jumps,  with  the conservation laws only holding on average Bohr's condition that the angular momentum ianinteger multiple of ħ was later reinterpreted in 1924 by de Broglie as a standing wave condition: the electron is described by a wave and a whole number of wavelengths must fialong the circumference of the electron's orbit:

 

 

 

 

 Substituting de Broglie's wavelength of h/p reproduces Bohr's rule. In 1913, however, Bohr justified his rule by appealing to the correspondence principle, without providing any sort of wave interpretation. In 1913, the wave behavior of matteparticles such as the electron (i.e., matterwaves) was not suspected.