Warto przeczytać

Widmo światła emitowanego przez rozrzedzone gazy, składające się z pojedynczych atomów, ma charakter liniowy. Oznacza to, że atomy emitują światło o określonych długościach fal. Jeśli takie światło rozszczepimy, na przykład w pryzmacie, na ekranie zobaczymy pojedyncze linie. Dla przykładu, widmo liniowe emitowane przez atomy sodu przedstawia Rys. 1.

R11vjE5Cz2m7W

Na rysunku jest położony poziomo ciemny prostokąt. Na prostokącie jest wiele pionowych kolorowych linii. Z lewej strony przy samej krawędzi prostokąta jest linia fioletowa. Dalej w prawo w obszarze środkowym znajdują się 2 linie niebieskie 7 linii zielonych i dwie linie żółte. Z prawej strony prostokąta są 3 linie pomarańczowe i 8 linii czerwonych.

Fizyka klasyczna nie potrafiła wyjaśnić charakteru widma liniowego. Stało się ono zrozumiałe po przyjęciu dwóch zasadniczych założeń:

1. światło występuje pod postacią fotonów,

2. energia atomu może przyjmować tylko określone wartości, które nazywamy energiami dozwolonymi atomu.

Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra atomowego, które otaczają elektrony, obdarzone ujemnym ładunkiem. Elektrony w atomie są uwięzione za sprawą odziaływania elektrycznego między ładunkami jądra i elektronów. Energie elektronów w atomie mogą przybierać tylko pewne, określone wartości – elektron może znajdować się tylko na dozwolonych poziomach energetycznych, tudzież powłokach elektronowychPowłoka elektronowapowłokach elektronowych. Mówimy, że energia elektronów w atomie jest skwantowana.

Podczas emisji światła atom skokowo zmniejsza swoją energię, wysyłając kwantKwantkwant światła o energii:

gdzie $\nu$ jest częstotliwością fali, $\lambda$ jest długością fali, $c$ = 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s – prędkością światła, $h$ - stałą Plancka, $h$ = 6,63 · 10Indeks górny -34^-34 J·s lub 4,14 · 10Indeks górny -15^-15eVElektronowolt (eV)eV·s.

Zmniejszenie się energii atomu podczas emisji światła oznacza, że atom przechodzi ze stanu o wyższej energii $E_{n}$ do stanu o energii niższej $E_{k}$.

Zgodnie z zasadą zachowania energii, energia stracona przez atom równa się energii wypromieniowanego fotonu:

Najprostszym atomem jest atom wodoru, mający jeden elektron i jądro będące pojedynczym protonem.

Dozwolone energie elektronu w atomie wodoru (Rys. 2.) wyrażają się wzorem:

gdzie $n$ to liczba naturalna ($n$ = 1, 2, 3, 4, … $\infty$). Najniższa energia wynosi $E_{1}=\frac{-13,6\textrm{ eV}}{1^{2}}=-13,6\textrm{ eV}$, kolejna to $E_{2}=\frac{-13,6\textrm{ eV}}{2^{2}}=-3,4\textrm{ eV}$, itd. Stan, w którym atom ma najniższą energię nazywa się stanem podstawowym. Stan podstawowy jest stanem stabilnym. Wszystkie stany o energii wyższej od stanu podstawowego to stany wzbudzone, niestabilne.

Atom może przejść do stanu wzbudzonego, pochłaniając foton o energii równej różnicy między energią stanu wzbudzonego i podstawowego. Może to być też wzbudzenie termiczne, gdy podczas zderzania się atomów jeden z nich pochłania część energii kinetycznej, w wyniku czego przechodzi z poziomu podstawowego na jeden z poziomów wzbudzonych. Wzbudzenia termiczne zachodzą częściej w wyższych temperaturach, gdy atomy mają większe średnie energie kinetyczne.

RyQiaYwIRssV4

Rys. 2. Na rysunku jest pionowa oś skierowana do góry, na której są zaznaczone wartości energii elektronu w atomie wodoru. Oś oznaczona jest literą duże E jednostka elektronowolt. Odchodzą od niej w prawo poziome linie, symbolizujące poziomy energetyczne atomu wodoru. Na samej górze jest linia, przy której na osi zaznaczona jest wartość zero. Na dole osi jest linia pozioma, przy której jest napis n=1. Na osi przy linii zaznaczona jest wartość minus 13,6. Wyżej jest podobna pozioma linia z napisem n=2, a na osi zaznaczona jest wartość minus 3,4. Kolejne poziome linie leżące coraz wyżej to:

n=3 dla wartości minus 1,5
n=4 dla wartości minus 0,85
n=5 dla wartości minus 0,54.

Między najniższą linią n=1 i leżącą nad nią n=2 jest duża odległość. Kolejne linie leżą coraz bliżej siebie. Nad liniami jest jeszcze kilka linii przerywanych pokazujących, jak kolejne linie zagęszczają się, zbliżając się do linii, przy której na osi zaznaczona jest wartość zero. Pod linią zero jest napis: n dąży do zera.

Stan wzbudzony trwa zaledwie około 10Indeks górny -8^-8 s i atom pozbywa się nadmiaru energii emitując foton i przechodząc do niższego stanu wzbudzonego lub do stanu podstawowego (Rys. 3.).

R1OdOytagUmOs

Rys. 3. Na rysunku jest pionowa oś skierowana do góry, na której są zaznaczone wartości energii elektronu w atomie wodoru. Oś oznaczona jest literą duże E z jednostką elektronowolt. Na dole osi odchodzi od niej w prawo linia pozioma, przy której jest napis n=1. Na osi przy linii zaznaczona jest wartość minus 13,6. Wyżej jest podobna pozioma linia z napisem n=2, a na osi zaznaczona jest wartość minus 3,4. Od linii n=2 do linii n=1 narysowana jest pionowa strzałka skierowana w dół. Obok z prawej jest falista linia ze strzałką skierowaną w prawo, która symbolizuje lecący foton. Pod nią jest napis: emisja fotonu o energii 10,2 elektronowolta.

Gdy atom wodoru jest w wyższym stanie wzbudzonym, na przykład w stanie o $n$ = 5, jego powrót do stanu podstawowego może odbyć się na wiele sposobów (Rys. 4.). Realizacja jednego z tych sposobów jest przypadkowa.

RtGT3qu4ddMY4

Rys. 4. Na każdym rysunku a (po lewej), b (w środku) i c (po prawej) jest pionowa oś skierowana do góry. Oś oznaczona jest literą duże E. Odchodzą od niej w prawo poziome linie, symbolizujące poziomy energetyczne atomu wodoru. Przy najniższej linii jest napis n=1, przy coraz wyższych liniach kolejno napisy:

n=2
n=3
n=4
n=5

Rys. 4a. Od linii oznaczonej jako n=5 do linii n=4 narysowana jest pionowa strzałka skierowana w dół. Kolejna pionowa strzałka ma początek na linii n=4 , a koniec n=3. Kolejna ma początek na linii n=3 a koniec n=2. Ostatnia pionowa strzałka ma początek na linii n=2 , a koniec n=1.

Rys. 4b. Od linii oznaczonej jako n=5 do linii n=2 narysowana jest pionowa strzałka skierowana w dół oraz druga pionowa strzałka skierowana w dół od linii n=2 do linii n=1.

Rys. 4c. Od linii oznaczonej jako n=5 do linii n=1 narysowana jest pionowa strzałka skierowana w dół.

Widmem emisyjnym nazywamy wszystkie długości fal emitowanych przez atomy, znajdujące się w różnych stanach wzbudzenia.

Obliczmy długości fal promieniowania emitowanego, gdy elektron w atomie wodoru przeskakuje z wyższych poziomów energetycznych na poziom $n$ = 2.

Korzystamy z zasady zachowania energii, przyrównując energię emitowanego fotonu do różnicy energii atomu w stanie początkowym i końcowym:

skąd wyznaczamy długość fali $\lambda$:

Przejście 3 $\rightarrow$ 2 ( z poziomu $n$ = 3 na poziom $n$ = 2):

Przejście 4 $\rightarrow$ 2:

Przejście 5 $\rightarrow$ 2:

Przejście 6 $\rightarrow$ 2:

Popatrzmy na Rys. 5. przedstawiający widmo wodoru w świetle widzialnym. Widzimy, że obliczone długości fal emitowanych podczas przeskoków elektronu na drugi poziom energetyczny $n$ = 2, odpowiadają liniom widma (niewielkie rozbieżności w wartościach $\lambda$ spowodowane są niepewnościami doświadczalnego wyznaczania długości fal i przyjętym przybliżeniem stałych fizycznych). To jedyne linie widmowe wodoru w świetle widzialnym. Ostania linia (około 410 nm) leży już blisko granicy światła widzialnego i nadfioletu. Przeskok elektronu z poziomu $n$ = 7 powoduje emisję fotonu z zakresu bliskiego nadfioletu. Również w nadfiolecie leży promieniowanie emitowane podczas przeskoków elektronu na poziom podstawowy $n$ = 1. Natomiast promieniowanie wysyłane przez atom podczas przeskoków elektronu na poziom energetyczny $n$ = 3 i poziomy wyższe znajduje się w zakresie podczerwieni.

RO3aZN7yRUcTM

Rys. 5. Na rysunku jest położony poziomo ciemny prostokąt. Na prostokącie są 4 pionowe linie. Z lewej strony jest linia fioletowa z napisem 410 nanometrów, obok niej z prawej strony linia niebieska napisem 434 nanometry. Pośrodku prostokąta jest linia zielona napisem 485 nanometrów. Z prawej strony linia czerwona napisem 656 nanometrów.

Słowniczek