Серия Balmer

Lab Manual
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Lab Manual Chemistry

Balmer Series

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Previous Video

2.10: Metal Flame Emission

Next Video

2.12: Beer’s Law

65,743 Views

•

03:53 min

•

March 26, 2020

Модель Бора

В 1913 году Нильс Бор предложил модель атома водорода, которая описывала, что дискретные энергетические состояния связаны с фиксированной электронной орбитой вокруг ядра. Важно отметить, что атом не может разряжать энергию, пока его электроны находятся в неподвижном состоянии. Электрон может излучать энергию только путем изменения энергетических состояний. Чтобы изменить энергетическое состояние, электрон должен перемещаться с одной орбиты на другую, поглощая или излучая энергию. Это изменение может произойти только в том случае, если поглощенная или излучаемая энергия равна разнице между двумя состояниями. Электроны не могут существовать между орбитами.

Квантовое число n используется для обозначения различных энергетических состояний. Самое низкое энергетическое состояние — это основное состояние, которое n равно единице. Возбужденные состояния обозначаются n равными 2, 3, 4 и так далее. Когда электрон в основном состоянии поглощает фотон, энергия которого равна разнице между основным и вторым состоянием, электрон возбуждается и переходит из основного состояния в возбужденное состояние n=2. Если энергия фотона равна разности между основным и третьим состоянием, электрон переходит в состояние n=3.

Согласно модели Бора, потенциальная энергия электрона на^n-м уровне может быть рассчитана с помощью следующего уравнения:

где E_n — потенциальная энергия, R — постоянная Ридберга (1,0974 × 10⁷ ^м-1), h — постоянная Планка (6,62607004 × 10-34 м²·кг/с), c — скорость света (~ 3 × 10⁸ м/с). Электроны также могут спонтанно возвращаться в основное состояние или в любое другое более низкое возбужденное состояние. Когда это происходит, избыточная энергия высвобождается в виде испускаемого фотона. Энергия фотона равна разности энергий между высшим и низшим энергетическими состояниями. Эта энергия соответствует длине волны света. Поскольку каждый тип атомов имеет разные энергетические уровни, свет, излучаемый при каждом переходе, варьируется для каждого атома. Для образца смешанных молекул излучаемый свет содержит диапазон длин волн в так называемом непрерывном спектре. Для образца, содержащего атомы одного элемента, излучаемый свет содержит только определенные длины волн, которые можно рассматривать как дискретные линии, разделенные призмой.

Атом водорода

Если говорить конкретно об атоме водорода, то возбуждение его электронов требует поглощения энергии, достаточной для того, чтобы расщепить связь в двухатомной молекуле_Н2. Поскольку для расщепления молекулы используется больше энергии, чем нужно, электроны в атоме водорода поглощают избыточную энергию и возбуждаются до более высокого энергетического уровня. Когда электроны спонтанно возвращаются на более низкий энергетический уровень, испускается свет, который соответствует разнице энергий между возбужденным уровнем и более низким уровнем.

Когда речь идет об излучении энергии, начальным уровнем считается более высокий энергетический уровень, или n_i, в то время как конечным уровнем считается низший уровень, или n_f. Длины волн излучаемого света в конечном счете зависят от разницы энергий между двумя уровнями.

В чистом образце газообразного водорода спектр излучения проявляется в виде отчетливых линий дискретных длин волн, специфичных для элемента водорода. Некоторые из этих линий находятся в видимом диапазоне электромагнитного спектра, в то время как другие — в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне.

Серия Balmer

Ряд видимых линий в спектре атомов водорода называется рядом Бальмера. Этот ряд спектральных эмиссионных линий возникает при переходе электрона с высокоэнергетического уровня на более низкий энергетический уровень n=2. Иоганн Бальмер наблюдал эти спектральные линии на длинах волн 410,2 нм, 434,1 нм, 486,1 нм и 656,3 нм, что соответствует переходам от энергетических уровней n=6, n=5, n=4 и n=3 к уровню n=2 соответственно.

Бальмер смог связать эти длины волн излучаемого света с помощью формулы Бальмера.

Здесь λ — наблюдаемая длина волны, C — постоянная (364,50682 нм), n — нижний энергетический уровень со значением 2, а m — более высокий энергетический уровень, который имеет значение больше 3. Это наблюдение было затем уточнено Иоганнесом Ридбергом, где R — постоянная Ридберга.

Помните, что это уравнение описывает излучаемый свет, поэтому более высокий уровень энергии считается начальным уровнем, или n_i, в то время как более низкий уровень считается конечным уровнем, или n_f. В случае ряда Бальмера n_f равно 2. Это уравнение было объединено с моделью Бора для расчета энергии, необходимой для перемещения электрона между его начальным и конечным энергетическими уровнями, ΔE.

Позже были открыты другие спектральные ряды для атома водорода. Например, ряд Лаймана содержит эмиссионные линии с энергиями в ультрафиолетовой области.

Ссылки

Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning.
Silderberg, M.S. (2009). Химия: молекулярная природа материи и изменения. Бостон, Массачусетс: Макгроу Хилл.

Transcript

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.