En planetmodell för väteatomen.

Rutherfords upptäckt av atomkärnan antyder en bild av atomen som ett solsystem i miniatyr, där gravitationen från solen ersätts med elektrostatisk attraktion från solen. Uppgiften är nu att steg för steg räkna igenom olika konsekvenser av denna modell. (När vi försummar att en accelererad laddning borde sända ut strålning.)

  1. Skriv ned ett uttryck för Coulomb-kraften mellan den positivt laddade kärnan, med laddning Ze, och den negativt laddade elektronen, med laddning -e.
 
  1. Skriv ned uttrycket för accelerationen, a, i en cirkelrörelse med radie r och farten v.
 
  1. Eftersom "planetrörelsen" i detta fall orsakas av Coulomb-kraften kan vi använda Newtons andra lag, F=ma, för att kombinera uttrycken i a) och b). Skriv ned den resulterande ekvationen:

    Skriv om ekvationen för att få ett uttryck på r:

 
  1. Uttrycket ovan ger inga villkor för r. För att få kvantiserade energinivåer måste vi ha ytterligare något villkor. De Broglie visade att hypotesen om materievågor kunde ge ett kvantiseringsvillkor, om man kräver att omkretsen på cirkelbanan skall svara mot ett antal hela våglängder. Skriv ned detta villkor tillsammans med uttrycket för de Broglie-våglängd (och utnyttja p=mv).

    Notera att uttrycket svarar mot att rörelsemängdsmomentet L är kvantiserat (vilket var den relation Bohr använde). Skriv om villkoret så att du får en för vn uttryckt i rn

 
  1. Sätt in uttrycket för vn från d) i uttrycket för r (som nu blir rn) från c).

    Observera att rn kan skrivas som (n2/Z) a0. Skriv ned uttrycket för a0.
    Vad är det numeriska värdet för a0?

    Hur varierar farten vn med n?

 
  1. Den potentiella energin kan skrivas om genom att utnyttja uttrycket på r från c). Kontrollera att Ep= -mv2= -2Ek. Detta är ett generellt samband som kallas Virialteoremet. Skriv ned ett uttryck för totala energin. (Använd gärna a0 från e), ovan)
 

  • Tänk dig nu en kvantmekanisk beskrivning av systemet jord - måne, som hålls ihop av gravitationen. Vilket kvanttal svarar månens nuvarande läge mot?

    http://fy.chalmers.se/~f3aamp/kvant/bohr_blad.html
    Ann-Marie Pendrill, Fysik, GU / CTH, 2001-05-21