Numer ćwiczenia:
11
Poziomy energetyczne atomu wodoru. Stała Rydberga
Ocena z teorii
Numer zespołu:
7
Paweł Zajdel Ocena z zaliczenia
ćwiczenia:
Data:
13.04.2010r.
Wydział Rok Grupa Uwagi:
EAIiE I 2
Wiadomości teoretyczne:
siatka dyfrakcyjna - przezroczysta płytka – kryształowa , szklana lub z tworzywa sztucznego. Na jedną ze stron płytki zostaje naniesiona seria równoległych nieprzezroczystych linii, o stałym i odpowiednio małym rozstawie - od kilkunastu linii na milimetr aż do tysiąca w przypadku dobrych siatek. Działanie siatki dyfrakcyjnej polega na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji i interferencji światła do uzyskania jego widma. W tym celu pomiędzy źródłem światła a białym ekranem umieszcza się siatkę dyfrakcyjną. Na ekranie uzyskuje się w ten sposób widmo świała. Jako pierwszy w swoich doświadczeniach prymitywną siatkę dyfrakcyjną zastosował angielski fizyk Thomas Young.
równanie siatki dyfrakcyjnej -
d sin α=kλ
d – stała siatki (odległość między szczelinami)
λk – całkowita wielokrotność długości fali, k=0,1,2….
α –kąt pod którym obserwujemy wzmocnienie interferencyjne
zdolność rozdzielcza (przydatność określonego przyrządu optycznego do obserwacji obiektów o określonej odległości kątowej. Im większa jest zdolność rozdzielcza, tym bliższe sobie punkty są obserwowane jako odrębne, a nie jako pojedyncza plama. Jednym z kryteriów określania zdolności rozdzielczej jest kryterium Rayleigha) siatki –
R= λ
Δλ =mN =m s d
λ - długość fali
m - rząd dyfrakcji (numer prążka/plamki)
N - liczba szczelin siatki dyfrakcyjnej
d - stała siatki dyfrakcyjnej
s - szerokość czynna siatki
widmo emisyjne i absorpcyjne - powstaje, gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym elektrony, atomy, cząstki lub fragmenty cząsteczek tworzących dane ciało, będąc wzbudzonymi przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii. Przejściu temu towarzyszy emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii poziomów, między którymi przeszła cząstka.
Widma emisyjne charakteryzują się:
Dla gazów prostych atomów - widmo emisyjne przyjmuje często formę serii dobrze
rozseparowanych częstotliwości, które spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność określonego pierwiastka w gazie i jest
nazywany widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie na podstawie widm emisyjnych składu pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.
Dla ciał stałych i cieczy - widmo emisyjne jest ciągłe.
Dla gazów atomów o złożonej budowie dają widmo pasmowe czyli składające się z pasów.
Widmo absorpcyjne powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez chłonny ośrodek absorbujący promieniowanie o określonych długościach. Można zarejestrować przy użyciu metod spektroskopii. Graficznie ma postać widma ciągłego z ciemnymi liniami (dla gazowych pierwiastków). Występowanie widma absorpcyjnego jest spowodowane pochłanianiem przez
substancję fotonów tylko o określonych długościach fali – takich które mogą spowodować
wzbudzenie atomu lub cząsteczki do stanu dopuszczanego przez prawa mechaniki kwantowej. Zmiany stanu wzbudzenia dotyczą zarówno elektronów jak i oscylacji i rotacji całych cząstek.
Obrazem widma absorpcyjnego związku chemicznego są pasma o strukturze liniowej lub ciągłej z silniej lub słabiej zaznaczonymi ekstremami.
widmo liniowe - widmo emisyjne składające się z oddzielnych linii widmowych. Widmo takie jest typowe dla nieoddziałujących ze sobą atomów, czyli pierwiastków w stanie gazowym, jeżeli gaz ten pozostaje pod niezbyt dużym ciśnieniem. Dlatego widmo tego typu nazywane jest również widmem atomowym. Układ linii widmowych zależy od układu poziomów energetycznych elektronów w atomie, który jest różny dla atomów różnych pierwiastków. Z tego powodu również układ linii widmowych jest niepowtarzalny i charakterystyczny dla danego pierwiastka. Dzięki temu analiza widmowa światła pochodzącego nawet z bardzo odległych źródeł pozwala na identyfikację pierwiastków wchodzących w skład świecącego gazu.
widmo pasmowe - widmo absorpcyjne lub widmo emisyjne rejestrowane w zakresie światła widzialnego, niezbyt dalekiego nadfioletu lub bliskiej podczerwieni dla swobodnych cząsteczek (znajdujących się w fazie gazowej). Widmo pasmowe powstaje w wyniku przejść między
elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnymi poziomami energetycznymi cząsteczek. W przeciwieństwie do widma liniowego atomów, składającego się z dobrze rozseparowanych pojedynczych linii
widmowych wynikających z przejść między poziomami elektronowymi, w widmie pasmowym zaobserwować można bogatą strukturę oscylacyjno-rotacyjną.
seria Balmera - seria linii widmowych powstająca w wyniku emisji fotonów przez elektron
w atomie wodoru przechodzący z wyższego orbitalu na orbital 2 (seria L).
Długości fal tej serii to od 364,60 nm do 656,28 nm. Znajdują się one w bliskim nadfiolecie oraz w zakresie światła widzialnego (bezpośrednio widoczne są linie - czerwona (H
α), niebiesko-zielona (H
β) i dwie fioletowe (H
γi H
δ)).
równanie Rydberga –
1
λ =R ( 1 j
2− 1 i
2)
λ – długość fali kwantu światła emitowanego przy przejściu elektronu z orbity j na i.
R – stała Rydberga stała Rydberga –
R= e4m
8 h
2ε02c≈1 , 097⋅10
71
m e – ładunek elementarny m – masa elektronu h – stała Planckaε0 – przenikalność dielektryczna próżni c – prędkość światła
model atomu wg Bohra:
postulaty Bohra -
1. Elektrony w atomie poruszają się po orbitach o ściśle określonych (skwantowanych) promieniach nie emitując energii. Energia elektronu dla każdej orbity jest stała.
2. Elektron może przeskakiwać między orbitami. Jeśli przeskakuje z orbity o wyższej energii na orbitę o niższej energii, to emituje kwant energii (światła) równej różnicy energii na tych orbitach. Elektron może także przeskoczyć z orbity o mniejszej energii na orbitę o wyższej energii, gdy pochłonie odpowiedni kwant energii.
3. Prawa mechaniki nie opisują przechodzenia elektronów między orbitami. Można je zastosować tylko dla ruchu elektronu po orbicie.
stany energetyczne - atom wodoru może być w stanie podstawowym, gdy elektron krąży na
pierwszej orbicie lub w stanie wzbudzonym gdy elektron jest na orbicie wyższej: drugiej, trzeciej... W stanie podstawowym ma najniższą energię. Przy przejściu ze stanu wzbudzonego do podstawowego emitowana jest energia. Stany energetyczne są skwantowane (podobnie jak promienie orbit) tzn. mogą przyjmować ściśle określone wartości.
serie widmowe - w atomie wodoru to, wg orbitalu docelowego:
1. seria Lymana , przejście na orbital n=1 (inaczej seria K) 2. seria Balmera , przejście na orbital n=2 (inaczej seria L) 3. seria Paschena , przejście na orbital n=3 (inaczej seria M) 4. seria Bracketta , przejście na orbital n=4 (inaczej seria N) 5. seria Pfunda , przejście na orbital n=5 (inaczej seria O) 6. seria Humphreysa , przejście na orbital n=6 (inaczej seria P)
energia jonizacji atomu wodoru - energia potrzebna do usunięcia najsłabiej związanego elektronu z atomu.
