Seria Balmer

Model Bohra

Niels Bohr zaproponował model atomu wodoru w 1913 roku, który opisywał dyskretne stany energetyczne związane ze stałą orbitą elektronową wokół jądra. Co ważne, atom nie może rozładowywać energii, gdy jego elektrony znajdują się w stanach stacjonarnych. Elektron może emitować energię tylko poprzez zmianę stanów energetycznych. Aby zmienić stany energetyczne, elektron musi przemieszczać się z jednej orbity na drugą, pochłaniając lub emitując energię. Zmiana ta może nastąpić tylko wtedy, gdy pochłonięta lub wyemitowana energia jest równa różnicy między tymi dwoma stanami. Elektrony nie mogą istnieć między orbitami.

Liczba kwantowa, n, służy do oznaczania różnych stanów energetycznych. Najniższy stan energetyczny to stan podstawowy, który jest równy n jeden. Stany wzbudzone są oznaczone jako n równe 2, 3, 4 i tak dalej. Kiedy elektron w stanie podstawowym absorbuje foton, którego energia jest równa różnicy między stanem podstawowym a drugim, elektron ulega wzbudzeniu i przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego n= 2. Jeśli energia fotonu jest równa różnicy między stanem podstawowym a trzecim, elektron przechodzi w stan n=3.

Zgodnie z modelem Bohra energię potencjalną elektronu na^n-tym poziomie można obliczyć za pomocą następującego równania:

gdzie E_n jest energią potencjalną, R jest stałą Rydberga (1,0974 ×^{10 7 m-1}), h jest stałą Plancka (6,62607004 × 10-34 m²·kg/s), a c jest prędkością światła (~ 3 × 10⁸ m/s). Elektrony mogą również spontanicznie powrócić do stanu podstawowego lub dowolnego innego niższego stanu wzbudzonego. Kiedy tak się dzieje, nadmiar energii jest uwalniany w postaci wyemitowanego fotonu. Energia fotonu jest równa różnicy energii między wyższym i niższym stanem energetycznym. Energia ta odpowiada długościom fal światła. Ponieważ każdy typ atomu ma inny poziom energii, światło emitowane z każdego przejścia jest różne dla każdego atomu. W przypadku próbki mieszanych cząsteczek emitowane światło zawiera zakres długości fal w tak zwanym widmie ciągłym. W przypadku próbki zawierającej atomy pojedynczego pierwiastka, emitowane światło zawiera tylko pewne długości fal, które można postrzegać jako dyskretne linie oddzielone pryzmatem.

Atom wodoru

Patrząc konkretnie na atom wodoru, wzbudzenie jego elektronów wymaga absorpcji energii wystarczającej do rozszczepienia wiązania w dwuatomowej cząsteczce_H2. Ponieważ do rozszczepienia cząsteczki zużywa się więcej energii niż jest to potrzebne, elektrony w atomie wodoru pochłaniają nadmiar energii i są wzbudzane do wyższego poziomu energetycznego. Kiedy elektrony spontanicznie wracają na niższy poziom energetyczny, emitowane jest światło, które odpowiada różnicy energii między poziomem wzbudzonym a niższym.

Omawiając emisję energii, wyższy poziom energii jest uważany za poziom początkowy, czyli n_i, podczas gdy niższy poziom jest uważany za poziom końcowy, czyli n_f. Długości fal emitowanego światła ostatecznie zależą od różnicy energii między tymi dwoma poziomami.

W czystej próbce gazowego wodoru widmo emisyjne pojawia się jako wyraźne linie dyskretnych długości fal, które są specyficzne dla pierwiastka wodoru. Niektóre z tych linii znajdują się w zakresie widzialnym widma elektromagnetycznego, podczas gdy inne znajdują się w zakresie ultrafioletu lub podczerwieni.

Seria Balmer

Seria widzialnych linii w widmie atomów wodoru nazywana jest szeregiem Balmera. Ta seria widmowych linii emisyjnych występuje, gdy elektron przechodzi z wysokiego poziomu energetycznego na niższy poziom energetyczny n = 2. Johann Balmer obserwował te linie widmowe przy 410,2 nm, 434,1 nm, 486,1 nm i 656,3 nm, które odpowiadają przejściom od poziomów energetycznych n=6, n=5, n=4 i n=3 do poziomu n=2.

Balmer był w stanie powiązać te długości fal emitowanego światła za pomocą wzoru Balmera.

Tutaj λ jest obserwowaną długością fali, C jest stałą (364,50682 nm), n jest niższym poziomem energii o wartości 2, a m jest wyższym poziomem energii, który ma wartość większą niż 3. Obserwacja ta została następnie udoskonalona przez Johannesa Rydberga, gdzie R jest stałą Rydberga.

Pamiętaj, że to równanie opisuje emitowane światło, więc wyższy poziom energii jest uważany za poziom początkowy, czyli n_i, podczas gdy niższy poziom jest uważany za poziom końcowy, czyli n_f. W przypadku szeregu Balmera n_f jest równe 2. Równanie to połączono z modelem Bohra w celu obliczenia energii potrzebnej do przemieszczenia elektronu między jego początkowym i końcowym poziomem energii, ΔE.

Później odkryto inne szeregi widmowe dla atomu wodoru. Na przykład seria Lymana zawiera linie emisyjne o energiach w zakresie ultrafioletu.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw Hill.