Ενεργειακά Επίπεδα και Φάσμα Υδρογόνου

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Ut elit telus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibus leo.

Εισαγωγή:

Η εκπομπή ακτινοβολίας συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στις προηγούμενες καταστάσεις τους αφού απορροφήσουν ενέργεια και διεγερθούν, γεγονός που τα αναγκάζει να μεταπηδήσουν από χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. Μια γνωστή αλήθεια είναι ότι έτσι είναι. Αυτό το φαινόμενο εξηγεί το φάσμα εκπομπής υδρογόνου, το οποίο ονομάζεται επίσης φάσμα εκπομπής υδρογόνου .

Χρησιμοποιώντας μια ηλεκτρική εκκένωση και ένα πλέγμα περίθλασης για να μελετήσουν το φως που εκπέμπεται από ένα διεγερμένο αέριο, οι επιστήμονες ανακάλυψαν στα τέλη του 1800 ότι τα φάσματα που προέκυψαν δεν αποτελούνταν από μια συνεχή ζώνη αλλά μάλλον από διακριτές γραμμές με σαφώς καθορισμένα μήκη κύματος. Οι επιστήμονες διεξήγαγαν πειράματα που αποκάλυψαν τα μοναδικά του μήκη κύματος για να κατανοήσουν καλύτερα το χημικό στοιχείο που εξέπεμπε το φως. Ήταν η εσωτερική δομή ενός ατόμου που είχε ως αποτέλεσμα ένα ατομικό δακτυλικό αποτύπωμα.

Αρχές του φάσματος εκπομπής υδρογόνου:

• Είναι δυνατό να εκφραστεί το φάσμα εκπομπής υδρογόνου σε μια (σχετικά) απλή εξίσωση. Απλοί ακέραιοι αριθμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό κάθε γραμμής. Μια υψηλή τάση προκαλεί μια χημική αντίδραση που έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή φωτός.
• Το ηλεκτρόνιο του υδρογόνου βρίσκεται στο πρώτο ενεργειακό επίπεδο, το οποίο είναι πιο κοντά στον πυρήνα όταν δεν διεγείρεται. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταφερθούν επάνω ή έξω από το άτομο ανάλογα με την ποσότητα ενέργειας που παρέχεται σε αυτό. Η υψηλή τάση ενός σωλήνα εκκένωσης παρέχει τέτοια ενέργεια. Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια από μόρια υδρογόνου χωρίζονται και προωθούνται σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας, γι' αυτό το φάσμα εκπομπής ατομικού υδρογόνου πήρε το όνομά του από αυτό.
• Ας υποθέσουμε ότι ένα ηλεκτρόνιο έχει διεγερθεί στο τρίτο ενεργειακό του επίπεδο για παράδειγμα. Μια πτώση του υψομέτρου θα έκανε να χάσει ξανά ενέργεια. Έχει δύο επιλογές για να το πετύχει αυτό. Εναλλακτικά, μπορεί να επιστρέψει στο δεύτερο επίπεδο και στη συνέχεια να κάνει ένα δεύτερο άλμα πίσω προς τα κάτω, επιστρέφοντας στο πρώτο επίπεδο.

Εκχώρηση συγκεκριμένων αλμάτων ηλεκτρονίων σε συγκεκριμένες φασματικές γραμμές:

Η ποσότητα ενέργειας που χάνει ένα ηλεκτρόνιο όταν πέσει από το 3-επίπεδο στο 2-επίπεδο ισούται με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ αυτών των δύο επιπέδων. Καθώς το ηλεκτρόνιο χάνει ενέργεια, εκπέμπει φως (το οποίο «φως» περιλαμβάνει UV και IR καθώς και ορατή ακτινοβολία). Η παρακάτω εξίσωση εξηγεί πώς κάθε συχνότητα φωτός συνδέεται με μια συγκεκριμένη ενέργεια.

E =hv

Εδώ h είναι η σταθερά του Planck  και v είναι η συχνότητα της ακτινοβολίας.

• Η ενέργεια του φωτός αυξάνεται σε ευθεία αναλογία με τη συχνότητά του. Το κόκκινο φως παράγεται όταν ένα ηλεκτρόνιο πέφτει από το τρίτο στο δεύτερο επίπεδο.
• Από εδώ προέρχεται η κόκκινη γραμμή του φάσματος του υδρογόνου.
• Η ενέργεια του κόκκινου φωτός μπορεί να προσδιοριστεί από τη συχνότητά του. Το ενεργειακό χάσμα μεταξύ των 3 επιπέδων και των 2 επιπέδων του ατόμου υδρογόνου πρέπει να είναι ακριβώς το ίδιο.

Η γραμμή υψηλότερης συχνότητας στο φάσμα θα παραχθεί κατά συνέπεια από τη μεγαλύτερη πιθανή πτώση της ενέργειας. Μια πτώση από το άπειρο στο ένα είναι η πιο απότομη.

Το μήκος κύματος του φάσματος του υδρογόνου:

• Η απορρόφηση φωτονίων οδηγεί τα ηλεκτρόνια στη μετάβαση σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας, για παράδειγμα, n =1 ή 2 για το υδρογόνο.
• Για παράδειγμα, όταν ένα ηλεκτρόνιο στο υδρογόνο έχει εκπέμψει ένα φωτόνιο, το ηλεκτρόνιο μεταβαίνει από ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας σε ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο (n =3 σε n =2).
• Το φως μεταδίδεται λόγω αυτής της κάθοδος από το ένα επίπεδο στο άλλο. Αυτά τα επίπεδα ενέργειας, κβαντισμένα, είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία μηκών κύματος φωτός που αντανακλούν αυτές τις διακυμάνσεις.
• Για παράδειγμα, η μετάβαση n =3 n =2 εμφανίζεται από τη γραμμή στα 656 nm.

Φάσμα εκπομπής υδρογόνου:

Όταν ο Balmer πρότεινε την εξίσωση για τον συσχετισμό του αριθμού κυμάτων των φασματικών γραμμών και των ενεργειακών κελυφών το 1885 με βάση πειραματικά αποτελέσματα, έφερε επανάσταση στην κατανόησή μας για τις εκπομπές υδρογόνου. Ακολουθεί ο τύπος:

Η σειρά Balmer είναι ένας τύπος φάσματος εκπομπής υδρογόνου. Στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, αυτό είναι το μοναδικό σύνολο γραμμών που μπορεί να δει κανείς. Η τιμή των 109.677 cm-1 είναι η σταθερά Rydberg για το υδρογόνο. Το συστατικό του φάσματος εκπομπής υδρογόνου γνωστό ως σειρά Balmer είναι υπεύθυνο για τη διέγερση ηλεκτρονίων σε οποιοδήποτε κέλυφος εκτός από το δεύτερο. Τα ονόματα των σειρών για άλλες μεταβάσεις είναι παρόμοια. Ακολουθεί μια λίστα με μερικά από αυτά.

• Μια μετάβαση από το ένα κέλυφος στο άλλο:η σειρά Lyman, 
• Μια μετάβαση από το 2ο κέλυφος στο άλλο:η σειρά Balmer
• Μια μετάβαση από το 3ο κέλυφος στο άλλο:η σειρά Paschen, 
• Μια μετάβαση από το 4ο κέλυφος στο άλλο:η σειρά Bracket, 
• Μια μετάβαση από το 5ο κέλυφος στο άλλο:τη σειρά Pfund.

Για την εκτίμηση του αριθμού κύματος των εκπομπών φασματικής γραμμής υδρογόνου λόγω της διέλευσης ενός ηλεκτρονίου από τη μια τροχιά στην άλλη, ο Σουηδός επιστήμονας Johannes Rydberg δημιούργησε έναν γενικό τύπο. Ακολουθεί ο γενικός τύπος για τον υπολογισμό του φάσματος εκπομπής υδρογόνου:

Πού,

• n1 =1, 2, 3, 4,…
• n2 =n1 +1 

Η σταθερά του υδρογόνου Rydberg έχει τιμή 109.677 cm-1.

Συμπέρασμα:

Ακολουθούν μερικά βασικά συμπεράσματα από αυτήν την εκμάθηση:

• Τα στοιχεία για την κβαντισμένη ηλεκτρική δομή ενός ατόμου μπορούν να βρεθούν στο φάσμα του υδρογόνου.
• Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική εκκένωση σε ένα αέριο μόριο υδρογόνου, τα άτομα υδρογόνου του μορίου διασπώνται.
• Σαν αποτέλεσμα, ενεργειακά διεγερμένα άτομα υδρογόνου εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το φάσμα εκπομπής υδρογόνου αποτελείται από μια σειρά συχνοτήτων. Οι επιστήμονες που ανακάλυψαν αυτές τις σειρές ακτινοβολίας τους έδωσαν τα ονόματά τους.