Modèle atomique des caractéristiques de Sommerfeld, postulats et limites

Le Le modèle atomique de Sommerfeld est une version améliorée du modèle de Bohr, dans lequel le comportement des électrons s'explique par l'existence de différents niveaux d'énergie dans l'atome. Arnold Sommerfeld a publié sa proposition en 1916 en expliquant les limites de ce modèle en appliquant la théorie de la relativité d'Einstein.

Le physicien allemand remarquable a découvert que, dans certains atomes, les électrons atteignaient des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Dans cette perspective, il a choisi de baser son analyse sur la théorie relativiste. Cette décision était controversée pour le moment, la théorie de la relativité n'ayant pas encore été acceptée dans la communauté scientifique.

De cette manière, Sommerfeld a contesté les préceptes scientifiques de l’époque et a adopté une approche différente de la modélisation atomique.

Index

• 1 caractéristiques
  • 1.1 Limites du modèle atomique de Bohr
  • 1.2 La contribution de Sommerfeld
• 2 Expérience
• 3 postulats
  • 3.1 Nombre quantique principal "n"
  • 3.2 Nombre quantique secondaire "I"
• 4 limitations
• 5 références

Caractéristiques

Limites du modèle atomique de Bohr

Le modèle atomique de Sommerfeld émerge pour parfaire les défauts du modèle atomique de Bohr. Les propositions de ce modèle, en gros traits, sont les suivantes:

- Les électrons décrivent des orbites circulaires autour du noyau, sans énergie rayonnante.

- Toutes les orbites n'étaient pas possibles. Seules les orbites sont activées dont le moment angulaire de l'électron répond à certaines caractéristiques. Il convient de noter que le moment angulaire d’une particule dépend d’un ensemble de toutes ses grandeurs (vitesse, masse et distance) par rapport au centre du virage.

- L'énergie libérée lorsqu'un électron descend d'une orbite à une autre est émise sous forme d'énergie lumineuse (photon).

Bien que le modèle atomique de Bohr décrive parfaitement le comportement de l’atome d’hydrogène, ses postulats ne sont pas reproductibles à d’autres types d’éléments.

Lors de l'analyse des spectres obtenus à partir d'atomes d'éléments autres que l'hydrogène, il a été détecté que les électrons situés au même niveau d'énergie pouvaient contenir des énergies différentes.

Ainsi, chacune des bases du modèle était réfutable du point de vue de la physique classique. Dans la liste suivante sont détaillées les théories qui contredisent le modèle, selon la numérotation précédente:

- Selon les lois électromagnétiques de Maxwell, toutes les charges soumises à une certaine accélération émettent de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique.

- Compte tenu de la position de la physique classique, il était inconcevable qu'un électron ne puisse orbiter librement à une distance quelconque du noyau.

- À ce moment-là, la communauté scientifique était fermement convaincue de la nature ondulatoire de la lumière et l’idée qu’elle était présente en tant que particule n’était pas envisagée jusque là.

La contribution de Sommerfeld

Arnold Sommerfeld a conclu que la différence d'énergie entre les électrons, bien que ceux-ci étaient dans le même niveau energético- est dû à l'existence de sous-niveaux d'énergie au sein de chaque niveau.

Sommerfeld a été basée sur la loi de Coulomb de dire que, si un électron est soumis à une force inversement proportionnelle au carré de la distance, la trajectoire décrite doit être elliptique et ne sont pas strictement cercle.

De plus, il était basé sur la théorie de la relativité d'Einstein pour donner un traitement différent aux électrons et évaluer leur comportement en fonction des vitesses atteintes par ces particules fondamentales.

Expérience

L'utilisation de spectroscopes haute résolution pour l'analyse de la théorie atomique a révélé l'existence de raies spectrales très fines Niels Bohr avait pas détecté, et pour lesquels le modèle proposé pour lui fournit pas une solution.

Dans cette perspective, Sommerfeld a répété les expériences de décomposition de la lumière dans son spectre électromagnétique en utilisant des électroscopes de nouvelle génération.

De leurs enquêtes, Sommerfeld déduit que l'énergie contenue dans l'orbite électronique stationnaire dépend de la longueur des demi-axes de l'ellipse décrivant cette orbite.

Cette dépendance est donnée par le rapport entre la longueur du demi-grand axe et la longueur du petit axe de l'ellipse, et sa valeur est relative.

Par conséquent, lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie à un autre, différentes orbites peuvent être activées en fonction de la longueur du demi-axe de l'ellipse.

De plus, Sommerfeld a également observé que les raies spectrales étaient déployées. L’explication que le scientifique attribue à ce phénomène est la polyvalence des orbites, celles-ci pouvant être elliptiques ou circulaires.

De cette façon, Sommerfeld a expliqué pourquoi les raies spectrales minces étaient appréciées au moment d'effectuer l'analyse avec le spectroscope.

Postulats

Après plusieurs mois d'études appliquant la loi de Coulomb et la théorie de la relativité pour expliquer les lacunes du modèle de Bohr, Sommerfeld a annoncé en 1916 deux modifications fondamentales sur le modèle mentionné:

- Les orbites des électrons peuvent être circulaires ou elliptiques.

- les électrons atteignent des vitesses relativistes; c'est-à-dire des valeurs proches de la vitesse de la lumière.

Sommerfeld a défini deux variables quantiques qui permettent de décrire le moment angulaire orbital et la forme de l’orbite pour chaque atome. Ceux-ci sont:

Numéro quantique principal "n"

Quantifier le demi-grand axe de l'ellipse décrit par l'électron.

Nombre quantique secondaire "I"

Quantifier la semiaxis mineure de l'ellipse décrite par l'électron.

Cette dernière valeur, également appelée nombre quantique azimutal, a été désignée par la lettre "I" et acquiert des valeurs allant de 0 à n-1, où n est le nombre quantique principal de l’atome.

En fonction de la valeur du nombre quantique azimutal, Sommerfeld a attribué différentes dénominations aux orbites, comme indiqué ci-dessous:

- l = 0 → orbitales S.

- l = 1 → orbitale orbitale principale p.

- l = 2 → orbitale orbitale diffuse d.

- I = 3 → orbitale orbitale fondamentale f.

De plus, Sommerfeld a indiqué que le noyau des atomes n’était pas statique. Selon le modèle proposé par lui, le noyau et les électrons se déplacent tous deux autour du centre de masse de l’atome.

Limitations

Les principales lacunes du modèle atomique de Sommerfeld sont les suivantes:

- L'hypothèse selon laquelle le moment cinétique est quantifié en tant que produit de masse par la vitesse et le rayon de mouvement est fausse. Le moment angulaire dépend de la nature de l'onde électronique.

- Le modèle ne précise pas ce qui déclenche le saut d'un électron d'une orbite à une autre, ni ne décrit le comportement du système lors de la transition de l'électron entre des orbites stables.

- Sous les préceptes du modèle, il est impossible de connaître l’intensité des fréquences d’émission spectrale.

Références

1. Bathia, L. (2017). Modèle atomique de Sommerfeld. Extrait de: chemistryonline.guru.
2. Expliquez en détail comment Sommerfeld a étendu la théorie de Bohr (s.f.). Récupéré de: thebigger.com
3. Méndez, A. (2010). Modèle atomique de Sommerfeld. Récupéré de: quimica.laguia2000.com
4. Modèle atomique de Bohr-Sommerfeld (s.f.). IES La Magdalena. Avilés, Espagne. Récupéré de: fisquiweb.es
5. Parker, P. (2001). Le modèle d'atome de Bohr-Sommerfeld. Projet Physnet. Michigan State University. Michigan, États-Unis. Récupéré de: physnet.org