Pasul 12 — Fizica atomică: modelul Bohr, niveluri de energie, spectre

Pasul 12 din „Drumul către fizica nucleară” — ghidul de orientare pentru elevii de liceu. Nivel: clasa a XII-a.

De ce contează acest pas?

Fizica atomică este anticamera fizicii nucleare — la propriu: chiar aici, într-un experiment cu atomi, a fost descoperit nucleul. Iar modelul mental pe care îl construiți acum — niveluri de energie, tranziții, spectre — se va transfera identic, doar cu energii de un milion de ori mai mari, la nucleu.

1911: experimentul care a găsit nucleul

Rutherford și studenții săi au bombardat o foiță de aur cu particule α. Așteptarea (modelul „cozonacului cu stafide”): toate trec aproape nedeviaite. Realitatea: cam 1 din 8000 ricoșa înapoi! Rutherford: „Ca și cum ai trage cu un obuz într-o foiță de hârtie și obuzul s-ar întoarce la tine.” Concluzia, scoasă cu legea lui Coulomb de la Pasul 5: toată sarcina pozitivă și aproape toată masa atomului stau într-un punct de ~10⁻¹⁴ m — nucleul. Priviți schema experimentului: este chiar o ciocnire analizată cu conservarea impulsului și energia potențială electrică — pașii 3, 5 și 6, la lucru împreună.

Modelul Bohr: atomul cu niveluri

Bohr (1913) a aplicat cuantificarea la atomul de hidrogen: electronul poate ocupa doar anumite orbite, cu energii discrete E_n = −13,6/n² eV. Atomul emite sau absoarbe lumină doar când electronul sare între niveluri, iar fotonul emis poartă exact diferența: hν = E_inițial − E_final. Modelul are limitele lui (mecanica cuantică modernă îl rafinează), dar imaginea „scării de energii” rămâne cea corectă și pentru nucleu.

Spectrele: codul de bare al materiei

Fiecare element are scara lui unică de niveluri → linii spectrale unice, un adevărat „cod de bare”. Așa a fost descoperit heliul în Soare înainte de a fi găsit pe Pământ, așa știm compoziția stelelor din lumina lor, așa identifică criminaliștii substanțele. Spectroscopia este proba supremă că nivelurile de energie există.

Puntea spre nuclear: aceeași scară, alt etaj

Acum transferați totul la nucleu: și nucleonii ocupă niveluri discrete (modelul în pături al nucleului), și nucleul are stări excitate, și el „cade” pe starea fundamentală emițând un foton — doar că diferențele de energie sunt de ordinul MeV, deci fotonul este γ, nu lumină vizibilă. Un nucleu proaspăt format prin dezintegrare rămâne adesea excitat și emite γ — de aceea radiația γ însoțește aproape orice dezintegrare α sau β. Atom și nucleu: aceeași fizică, la etaje diferite de energie.

Verifică-te!

1. De ce a respins experimentul Rutherford modelul „cozonacului cu stafide”?
2. Ce energie are fotonul emis la tranziția electronului din hidrogen de pe nivelul 3 pe nivelul 2? (E_n = −13,6/n² eV)
3. De ce spectrul de emisie al fiecărui element este unic?
4. Un nucleu excitat coboară cu 1,3 MeV. Ce fel de radiație emite?
5. Ce ne spune despre nucleu faptul că spectrele γ sunt și ele „în linii”, nu continue?

⬅ Înapoi la „Drumul către fizica nucleară” · Pasul anterior: Fizica cuantică · Pasul următor: Fizica nucleară propriu-zisă