Серия Balmer

Атомы и молекулы демонстрируют очень интересное поведение, когда они поглощают и высвобождают энергию. Электроны в атоме традиционно существуют в своем самом низком энергетическом состоянии, называемом основным состоянием и обозначаемом как n, равное единице. Однако, когда атом поглощает энергию, электроны возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень. Когда электроны расслабляются либо до более низкого энергетического состояния, либо до основного состояния, избыточная энергия высвобождается в виде излучаемого света.

Возможно, вы знакомы с этими энергетическими состояниями, поскольку они изображены в модели Бора, которая описывает атом как ядро с вращающимися электронами в оболочках или орбиталях. Эти оболочки такие же, как и энергетические уровни, и помечены буквой n. Длина волны излучаемого света зависит от разницы между высоким и низким уровнями энергии. Свет с высокой энергией является результатом расслабления электронов на более высоком энергетическом уровне, а свет с низкой энергией является результатом расслабления электронов на более низком энергетическом уровне.

Спектр излучения — это мера испускаемого излучения в диапазоне длин волн. У чистых элементарных видов поведение излучения проявляется в виде линий определенной длины волны, а не широкого спектра. Поскольку разные атомы имеют разные энергетические уровни, эти спектральные линии варьируются от элемента к элементу и зависят от переходов, которые эти электроны совершают между энергетическими состояниями при возбуждении. Например, существует шесть названных серий спектральных линий для водорода, одна из которых — серия Бальмера.

Ряд спектральных линий Бальмера возникает, когда электроны переходят от энергетического уровня выше n = 3 обратно к n = 2. Видимый спектр света для серии Бальмера проявляется в виде спектральных линий на длинах 410, 434, 486 и 656 нм. Линия h alpha является красной линией на длине волны 656 нм и возникает из-за перехода от n=3 к n=2. Голубая, синяя и фиолетовая линии соответствуют переходам энергетических уровней от n = 4, 5 и 6 соответственно до n = 2. Дополнительные спектральные линии могут быть измерены за пределами видимого диапазона.

Иоганн Бальмер количественно определил видимые линии с помощью формулы Бальмера. Здесь лямбда — наблюдаемая длина волны, c — константа, n — нижний энергетический уровень из двух, а m — более высокий энергетический уровень. Комбинация уравнения Бальмера и модели Бора дает нам уравнение Ридберга, которое описывает спектральные линии множества различных элементов. В этом уравнении лямбда — это записанная длина волны, а R_H — постоянная Ридберга. Начальные уровни, отмеченные n-начальным, представляют собой более высокий энергетический уровень, до которого возбуждаются электроны, а n конечный — это более низкий энергетический уровень, до которого электроны расслабляются. Для ряда Бальмера n_final = 2.

В этой лабораторной работе вы будете измерять и наблюдать спектры излучения водорода, гелия и неона, а также использовать уравнение Ридберга для определения местоположения спектральных линий.