GLOBAL KNOWLEDGE ARK

Chemija · Pamoka

Šviesa, atomų spektrai ir energijos lygmenis pagrindžiantys duomenys

Susieti šviesos bangos ilgį ir fotono energiją su duomenimis, pagrindžiančiais atomų energijos skirtumus. Atskirti sugalvotą energijos lygmenų schemą nuo išmatuoto spektro.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

  • Susieti bangos ilgį vakuume, dažnį ir fotono energiją.
  • Atskirti atomo energijos pokytį nuo teigiamos išspinduliuoto fotono energijos.
  • Paaiškinti, ką pagrindžia diskrečios spektro linijos ir ko neapima paprastas atomo modelis.
01

Dažnis ir bangos ilgis apibūdina šviesą

Šviesą galima apibūdinti kaip elektromagnetinę bangą. Dažnis ν nurodo svyravimų skaičių per sekundę, o jo matavimo vienetas yra hercas, Hz. Bangos ilgis λ nusako erdvinį atstumą tarp atitinkamų bangos taškų. Vakuume c = λν, čia c = 299 792 458 m/s yra tiksli vertė SI sistemoje. Trumpesnį bangos ilgį vakuume atitinka didesnis dažnis.

Fotono energija yra E = hν = hc/λ, čia Planko konstanta h = 6.62607015 × 10⁻³⁴ J s yra tiksli vertė SI sistemoje. Taigi didesnį dažnį atitinka didesnė fotono energija. Bangos ilgį būtina išreikšti tuo pačiu ilgio vienetu, kuris naudojamas c vertei. Šviesai sklindant medžiagoje, taikykite tinkamą sąryšį, užuot be išlygų taikę bangos ilgio vakuume formulę bet kuriam medžiagoje išmatuotam bangos ilgiui.

02

Atomo spektre gali būti atskirų linijų

Sužadintų atomų dujos gali spinduliuoti būdingų bangos ilgių šviesą. Tinkamu prietaisu galima išskirti diskrečias linijas, o ne tolydų pasiskirstymą, apimantį visus bangos ilgius. Atomai taip pat gali sugerti tik tam tikrų dažnių šviesą. Šie stebėjimai pagrindžia diskrečius energijos skirtumus tarp atomui prieinamų energinių būsenų. Spektras yra pagrindžiantys duomenys, o energijos lygmenų diagrama – jam paaiškinti naudojamas vaizdinys.

Vykstant šuoliui iš aukštesnės energijos būsenos į žemesnės energijos būseną, išspinduliuoto fotono energija lygi teigiamam šių būsenų energijų skirtumui. Atomo energijos pokytis yra neigiamas, nes atomas netenka energijos. Sugerties metu atomas įgyja energijos. Papildomos atrankos taisyklės lemia, kurie šuoliai vyksta, o išmatuotos spektrinės linijos gali būti išplatėjusios ar turėti kitokią struktūrą. Pradedantiesiems skirta energijos lygmenų diagrama neturėtų sudaryti įspūdžio, kad kiekviena galima lygmenų pora savaime sukuria vienodai intensyvią liniją.

03

Prieš tikrą spektrą išnagrinėkite paprastą energijų skirtumą

Įsivaizduokite du išgalvotus atomo energijos lygmenis, kurių energijos, išreikštos sąlyginiais energijos vienetais, yra 0 ir 3. Juos skiria 3 vienetų energijos skirtumas. Šuolio į žemesnį lygmenį metu atomo energija pakinta −3 vienetais ir išspinduliuojamas fotonas, kurio teigiama energija lygi 3 vienetams. Sugerties ir šuolio į aukštesnį lygmenį metu atomo energija pakinta +3 vienetais. Šiame mokomajame modelyje žemesnės energijos būsenai priskirtas nulis yra sutartinis energijos atskaitos taškas.

Lentelėje aiškiai nurodyti ženklai, tačiau neteigiama, kad tai vandenilio duomenys. Bangos ilgis nepateikiamas, nes sąlyginis vienetas nėra susietas su džauliais. Nenaudokite scheminio energijų skirtumo, pažymėto „3“, tikro fotono skaičiavimams, jei neapibrėžti energijos vienetas ir modelis.

Vienas energijos skirtumas, dvi perėjimo kryptys
PerėjimasPradinė atomo energijaGalutinė atomo energijaAtomo ΔEFotono energija
Sugertis03+33, sugerta
Spinduliavimas30−33, išspinduliuota

Išgalvoti lygmenys, kurių energijos, išreikštos sutartiniais energijos vienetais, yra 0 ir 3. Fotono energija abiem kryptimis yra teigiama; atomo energijos pokyčio ženklas priklauso nuo to, ar fotonas sugeriamas, ar išspinduliuojamas.

04

Nuo ankstyvųjų modelių prie kvantinio aprašymo

Boro modelis susiejo vandenilio linijinį spektrą su leistinomis energijomis ir buvo istoriškai naudingas. Elektronų, judančių apskritomis orbitomis tarsi planetos, vaizdinys nėra šiuolaikinis bendras atomo elektronų aprašymas. Jo taip pat negalima be pakeitimų išplėsti į tikslią bendrą daugelio elektronų atomų teoriją.

Kitose pamokose orbitalės ir elektronų konfigūracijos pristatomos kaip kvantinio aprašymo priemonės. Keisdami erdvinį modelį, išlaikykite čia pagrįstą energijos balanso sąryšį. Mokantis svarbu susieti stebėjimą, skaičiavimą ir modelio ribotumus, o ne laikyti vieną seną piešinį pažodiniu kiekvieno atomo atvaizdu.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Apskaičiuokite fotono energiją vakuume

Hipotetinio fotono bangos ilgis vakuume yra 5.00 × 10² nm. Apskaičiuokite jo dažnį ir energiją.

  1. Perskaičiuokite bangos ilgį: 5.00 × 10² nm = 5.00 × 10⁻⁷ m.
  2. ν = c/λ = 299 792 458 m/s ÷ (5.00 × 10⁻⁷ m), apytiksliai 6.00 × 10¹⁴ Hz.
  3. Apskaičiuokite E = hc/λ tiesiogiai, neapvalindami tarpinės dažnio vertės: apytiksliai 3.9728917 × 10⁻¹⁹ J, o suapvalinus iki trijų reikšminių skaitmenų – 3.97 × 10⁻¹⁹ J.

Apytiksliai 6.00 × 10¹⁴ Hz ir 3.97 × 10⁻¹⁹ J. Pasirinktas bangos ilgis nėra identifikuota išmatuota atominė spektro linija.

Pabandykite patys

  1. Ar iš dviejų bangos ilgių vakuume trumpesnis atitinka didesnę, ar mažesnę fotono energiją?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Didesnę.

    Kai h ir c nekinta, energija E = hc/λ yra atvirkščiai proporcinga bangos ilgiui.

  2. Atomo energija pakinta nuo 3 iki 0 sąlyginių energijos vienetų. Nurodykite jo energijos pokytį ir išspinduliuoto fotono energiją.

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Atomo ΔE = −3 vienetai; fotono energija = +3 vienetai.

    Atomas praranda energiją; fotonas išsineša energiją, lygią teigiamam energijų skirtumui.

  3. Ar vien energijų skirtumas „3 sąlyginių vienetų“ leidžia nustatyti bangos ilgį nanometrais?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Ne.

    Reikia fizikinio energijos vieneto arba perskaičiavimo į jį.

  4. Ar diskrečiosios spektro linijos įrodo, kad kiekviename atome elektronai juda tikromis apskritiminėmis orbitomis?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Ne.

    Jos pagrindžia energinių būsenų skirtumus. Erdvinio ir daugiaelektronio aprašymo atveju reikia tobulesnio modelio.

Ką verta įsidėmėti

  • Vakuume c = λν ir E = hν.
  • Išspinduliuotas fotonas išsineša teigiamą energiją, lygią energijos lygmenų skirtumui, o atomas netenka energijos.
  • Sąžiningai žymėkite išgalvotus energijos lygmenis ir jų vienetus.
  • Spektrų duomenys pagrindžia energinę struktūrą, bet ne pažodinį planetinės schemos aiškinimą.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.

  1. Chemija, 2-asis leidimas, 6.1 Elektromagnetinė energijaChemistry 2e, 6.1 Electromagnetic EnergyŽinynasopenstax.orgSkaityti šaltinį
  2. Chemija, 2-asis leidimas, 6.2 Boro modelisChemistry 2e, 6.2 The Bohr ModelŽinynasopenstax.orgSkaityti šaltinį
  3. Tarptautinė vienetų sistema (SI), 9-asis leidimas, 4.01 versijaThe International System of Units (SI), 9th edition, version 4.01Žinynas · PDFbipm.orgSkaityti šaltinį