Ενεργειακά Επίπεδα και Φάσμα Υδρογόνου

Πριν συζητήσουμε το φάσμα των ατόμων υδρογόνου, ας γνωρίζουμε τον ορισμό του. Έτσι, ξέρετε ότι τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου απορροφούν ενέργεια για να φτάσουν τη διεγερμένη τους κατάσταση. Μεταπηδούν από χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Όταν επιστρέφουν στην πραγματική τους κατάσταση, εκπέμπουν ακτινοβολία. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει και στην περίπτωση των ατόμων υδρογόνου. Επομένως, το φαινόμενο του φάσματος εκπομπής μέσω ατόμων υδρογόνου μπορεί να ονομαστεί ως φάσμα ατόμων υδρογόνου ή φάσμα εκπομπής υδρογόνου.

Σε παλαιότερες εποχές που χρονολογούνται από το 1800, ο ενθουσιασμός ενός αερίου εξέπεμπε φως και φαινόταν μέσω του εμβολιασμού περίθλασης. Συνήθιζαν να παρατηρούν ένα φάσμα που δεν ήταν συνεχές αλλά είχε μεμονωμένες γραμμές με συγκεκριμένα μήκη κύματος. Από τα πειράματα ήταν σαφές ότι τα στοιχεία που εκπέμπουν φως έχουν συγκεκριμένα μήκη κύματος με χαρακτηριστικά χημικά στοιχεία. Αυτό μετατράπηκε σε ατομικό δακτυλικό αποτύπωμα που προήλθε από το εσωτερικό τμήμα του ατόμου.

Φάσμα εκπομπής υδρογόνου

Γενικά, το φάσμα εκπομπής ενός χημικού στοιχείου ή ένωσης είναι το φάσμα των συχνοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτές οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες εκπέμπονται από τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου όταν επιστρέφουν σε καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας. Κάθε στοιχείο έχει διαφορετικό φάσμα εκπομπής και είναι μοναδικό. Επομένως, για να προσδιορίσετε τα στοιχεία που υπάρχουν στο θέμα άγνωστης σύνθεσης, είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε ένα φασματοσκόπιο.

Επίσης, τα φάσματα εκπομπής των μορίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη χημική ανάλυση των ουσιών. Το φάσμα του υδρογόνου είναι χρήσιμο για να αποδειχθεί η κβαντισμένη ηλεκτρονική δομή. Το διάγραμμα φάσματος υδρογόνου είναι πολύπλοκο, το οποίο περιλαμβάνει τις τρεις γραμμές ορατές με το ανθρώπινο μάτι. Μπορείτε να βρείτε μοτίβα και των δύο γραμμών στην υπεριώδη και υπέρυθρη περιοχή του φάσματος επίσης. Αυτά εμπίπτουν σε μια ποικιλία «σειρών» γραμμών που ονομάζονται από αυτόν που τα ανακάλυψε.

Αυτό το φάσμα εκπομπής του ατόμου υδρογόνου μπορεί να χωριστεί σε πολλές φασματικές σειρές με τα μήκη κύματός τους με τη βοήθεια του τύπου Rydberg:

1vac=RZ2(1n12 –1n22)

Εδώ, r είναι η σταθερά Rydberg και η τιμή της είναι 1,09737× 107 m-1

vac σημαίνει το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται στο κενό.

Το Z αντιπροσωπεύει τον ατομικό αριθμό και τα n1 και n2 είναι οι ακέραιοι αριθμοί που αντιπροσωπεύουν τα επίπεδα ενέργειας όπου n1

Φασματική σειρά ατόμων υδρογόνου:

Οι φασματικές γραμμές υδρογόνου ομαδοποιούνται σε σειρές έως «n» και ονομάζονται ξεκινώντας από το μεγαλύτερο μήκος κύματος/τη χαμηλότερη συχνότητα της σειράς.

Η γραμμή 2-1 είναι η σειρά άλφα Lyman 

Η γραμμή 7-3 είναι η σειρά Paschen – delta

Σειρά Lyman:

Συνήθως, η σειρά Lyman αποτελείται από γραμμές που εκπέμπονται από μεταβάσεις ηλεκτρονίων από εξωτερικές τροχιές με κβαντικό αριθμό n>1  στην 1η τροχιά n=1. Αυτή η σειρά πήρε το όνομά της από το όνομα του ανακάλυψε της, Theodore Lyman. Ανακάλυψε αυτές τις γραμμές από το 1906 έως το 1914. Τα μήκη κύματος που σχετίζονται με αυτές τις σειρές Lyman βρίσκονται εντός της ζώνης υπεριώδους.

n	λ , κενό (nm)
2	121,57
3	102,57
4	97.254
5	94.974
6	93.780
∞	91.175

Σειρά Balmer:

Στη σειρά Balmer, οι μεγάλες μεταβατικές γραμμές προέρχονται από εξωτερικές τροχιές> 2 και n=2. Ο Johann Balmer ανακάλυψε αυτή τη σειρά και έτσι αυτή η σειρά πήρε το όνομά του. Ανακάλυψε τον τύπο Balmer, ο οποίος είναι μια εμπειρική εξίσωση. Αυτή η φόρμουλα βοηθά στην πρόβλεψη της σειράς Balmer. Παλαιότερα, οι Balmer Lines ονομάστηκαν H-alpha, H-beta, H-gamma, όπου το H-alpha είναι μια σημαντική γραμμή και χρησιμοποιείται στην αστρονομία, όπου το H σημαίνει υδρογόνο. Οι πρώτες τέσσερις γραμμές έχουν μήκη κύματος πάνω από 400 nm και μικρότερα από 700 nm. Ως εκ τούτου, είναι το ορατό μέρος του φάσματος και μπορούν να φανούν στο ηλιακό σύστημα.

n	λ , αέρας (nm)
3	656.3
4	486.1
5	434,0
6	410.2
7	397,0
∞	364,6

Σειρά Paschen: 

Ο ανακαλύπτης της συγκεκριμένης σειράς είναι ένας Γερμανός επιστήμονας, ο Friedrich Paschen. Τις παρατήρησε το 1908. Αυτές οι γραμμές Paschen ανήκουν στη ζώνη υπερύθρων. Επικαλύπτεται επίσης με τη σειρά Bracket.

n	λ , αέρας (nm)
4	1875
5	1282
6	1094
7	1005
8	954.6
∞	820,4

Υπάρχουν πολλές άλλες σειρές, συγκεκριμένα η σειρά Brackett, που βρίσκεται πολύ στη ζώνη υπερύθρων, η σειρά Pfund, η σειρά Humphreys και περαιτέρω.

Μήκος κύματος φάσματος υδρογόνου:

Όταν ένα άτομο υδρογόνου απορροφά ενέργεια και αποκτά υψηλότερη ενέργεια, εκπέμπει ακτινοβολία ενώ επιστρέφει στην αρχική φάση. Αλλά όταν ένα άτομο υδρογόνου εκπέμπεται από ένα φωτόνιο, το ηλεκτρόνιο πηγαίνει σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας από ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Επομένως, όταν συμβαίνει αυτή η μετάβαση, δηλαδή, ένα ηλεκτρόνιο υποβάλλεται από ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο σε ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο, μεταδίδεται φως. Το φάσμα αποτελείται από μήκη κύματος που αντανακλούν τις διαφορές σε αυτά τα επίπεδα ενέργειας λόγω της κβαντοποίησης των ατόμων.

Η σειρά Balmer αναφέρεται ως η σειρά του φάσματος εκπομπής υδρογόνου. Αυτή η σειρά βρίσκεται μόνο στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και είναι ορατή. Για το υδρογόνο, η τιμή της σταθεράς του Rydberg είναι 109677 cm-1. Αυτό το φάσμα εκπομπής υδρογόνου είναι ο κύριος λόγος πίσω από τη διέγερση των ηλεκτρονίων από το δεύτερο κέλυφος σε άλλα κελύφη.

Τα ονόματα των μεταβάσεων παρατίθενται παρακάτω για καλύτερη αναφορά:

• Από το 1ο κέλυφος σε άλλα κοχύλια- Σειρά Lyman

• Από το 2ο κέλυφος σε άλλα κοχύλια- σειρά Balmer

• Από το 3ο κέλυφος σε άλλα κοχύλια – σειρά Paschen

• Από το 4ο κέλυφος σε άλλα κοχύλια- σειρά Brackett

• Από το 5ο κέλυφος σε άλλα κελύφη- Σειρά Pfund.

Ο Johannes Rydberg, ο οποίος ήταν Σουηδός επιστήμονας, πρότεινε έναν τύπο για τον υπολογισμό του αριθμού κύματος της εκπομπής φασματικής γραμμής υδρογόνου.

Ο τύπος είναι:

  1/𝝀 =109677(1/n12– 1/n22)

Εδώ, η τιμή του n1 μπορεί να κυμαίνεται από 1 έως άπειρο,

Και n2=n1+1 ,n1+2 …..

1/𝝀 αντιπροσωπεύει τον αριθμό κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και η τιμή του είναι 109677 cm-1 και είναι σταθερή.

Συμπέρασμα :

Οι μεταβάσεις ηλεκτρονίων είναι πολύ χρήσιμες στη μέτρηση του χρόνου και, επομένως, πρέπει να είναι ακριβής. Όλοι εξαρτόμαστε από αυτές τις μεταβάσεις στην καθημερινή μας ζωή. Τα πάντα, συμπεριλαμβανομένων των τηλεπικοινωνιών, των κινητών τηλεφώνων, των σημάτων GPS, είναι η ανάγκη της ώρας. Εάν περάσουμε λευκό φως μέσα από το δείγμα του υδρογόνου, θα απορροφήσει ενέργεια και θα διεγερθεί στο επόμενο υψηλότερο επίπεδο ενέργειας. Τα φάσματα απορρόφησης και εκπομπής χρησιμοποιούνται από τους αστρονόμους επίσης για τον προσδιορισμό των συνθέσεων των αστεριών και της Διαστρικής ύλης.

Επομένως, τα άτομα μπορούν να εκπέμπουν φως μόνο σε συγκεκριμένα μήκη κύματος και να παράγουν ένα φάσμα γραμμής αντί για ένα συνεχές φάσμα όλων των μηκών κύματος. Το φάσμα του ατόμου του υδρογόνου προτάθηκε από τον Neil Bohr υποθέτοντας κυκλικές τροχιές των ηλεκτρονίων σε μια ορισμένη ακτίνα. Οι φασματικές γραμμές σχηματίζονται μόνο λόγω των μεταπτώσεων που περνά ένα ηλεκτρόνιο. Η σειρά Lyman-Balmer-Paschen είναι αρκετά σημαντική από την άποψη της επιστήμης. Η ειδική σειρά του ατόμου υδρογόνου δίνει έμφαση στις μεταπτώσεις ηλεκτρονίων αποτελεσματικά. Η πλησιέστερη τροχιά στον πυρήνα είναι η θεμελιώδης κατάσταση του ατόμου και η πιο σταθερή κατάσταση.