ατομικα φασματα εκπομπης

Download Report

Transcript ατομικα φασματα εκπομπης

Slide 1

ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ
Ενότητα 4: Ατομικά φάσματα .Τα πρώτα Ατομικά
Πρότυπα
Όνομα Καθηγητή: Χριστόφορος Κροντηράς
Τμήμα Φυσικής


Slide 2

Άδειες χρήσης




Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες
χρήσης Creative Commons.
Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε
άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης
αναφέρεται ρητώς.

2


Slide 3

ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ






Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια
του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.
Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο
Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του
εκπαιδευτικού υλικού.
Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού
Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και
συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό
Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3


Slide 4

ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ

Διδάσκων Καθηγητής: Χρ. Κροντηράς

Πηγή: Wikipedia
«Εκείνοι που δεν συγκλονίζονται από
Niels Bohr
την κβαντική θεωρία, σίγουρα δεν
(documentary,
την έχουν κατανοήσει»
Nobel Prize)

4


Slide 5

Ατομικά φάσματα
εκπομπής-απορρόφησης
Πηγή: Εικόνα δημιουργημένη
από τα δεδομένα που
προσφέρονται από
NIST Atomic Spectra Database
Όροι: Ελεύθερη χρήση

Niels Bohr
(documentary,
Nobel Prize)

Πηγή: Wikipedia

5


Slide 6

Περιεχόμενα ενότητας 4

 Φαινόμενα αλληλεπίδρασης ύλης-ακτινοβολίας
Ατομικά φάσματα

Το φάσμα του ατόμου του Υδρογόνου
Ατομικό πρότυπο του Thomson.
Ατομικό πρότυπο του Rutherford

6


Slide 7

Ατομικά φάσματα
Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα
Στο τέλος του μαθήματος ο φοιτητής θα γνωρίζει:
 Τα χαρακτηριστικά των ατομικών φασμάτων εκπομπής και
απορρόφησης.
 Τις πρώτες προσπάθειες ερμηνείας και τις εμπειρικές σχέσεις που
προτάθηκαν για την αναπαραγωγή των πειραματικών
αποτελεσμάτων.
 Τις φασματικές σειρές του υδρογόνου και άλλων στοιχείων.
 Τη σταθερά του Rydberg.

7


Slide 8

J. Balmer

Ατομικά Φάσματα
Εκπομπής-Απορρόφησης
Συνεχές φάσμα

Φάσμα Εκπομπής

Φάσμα Απορρόφησης

Ατομικό φάσμα Υδρογόνου
Φάσμα εκπομπής

Φάσμα απορ/σης

T. Lyman

Σε αντίθεση με το συνεχές φάσμα του
μέλανος σώματος τα ατομικά φάσματα
εκπομπής ή απορρόφησης είναι γραμμικά
και εκφράζουν την ενεργειακή υπογραφή
του ατόμου.
Τα ατομικά φάσματα εκπομπής
αποτελούνται από ένα χαρακτηριστικό
σύνολο φωτεινών γραμμών πάνω σε ένα
σκοτεινό υπόβαθρο.

Τα ατομικά φάσματα απορρόφησης αποτελούνται από ένα σύνολο
σκοτεινών γραμμών πάνω σε ένα φωτεινό υπόβαθρο. Οι σκοτεινές
γραμμές εμφανίζονται στις ίδιες ακριβώς θέσεις με τις φωτεινές
γραμμές του φάσματος εκπομπής.
8


Slide 9

J. Balmer

Ατομικά Φάσματα
Εκπομπής-Απορρόφησης

Ατομικό φάσμα Υδρογόνου
Φάσμα εκπομπής

Φάσμα απορ/σης

T. Lyman

Πρώτος ο J.J. Balmer, το 1885,
παρατήρησε ότι τα μήκη κύματος του
ατομικού φάσματος του Η ακολουθούν
ακριβώς τον εμπειρικό τύπο:
Å με n=3,4,5,…

Η σχέση αυτή προβλέπει μια άπειρη σειρά φασματικών γραμμών, όλων
μέσα στο ορατό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Ονομάζεται σειρά Balmer.
Ο τύπος του Balmer μπορεί να γραφεί και ως προς το μήκος κύματος λn.

Όπου RH = 109700 cm-1 και ονομάζεται σταθερά του Rydberg.

9


Slide 10

J. Balmer

Ατομικά Φάσματα
Εκπομπής-Απορρόφησης

Ατομικό φάσμα Υδρογόνου
Φάσμα εκπομπής

Φάσμα απορ/σης

T. Lyman

Επέκταση των μετρήσεων του φάσματος
πέρα από την ορατή περιοχή οδήγησε στον
γενικευμένο τύπο του Palmer:

Μπορούμε επίσης να γράψουμε τον γενικευμένο τύπο του Balmer και
ως προς την συχνότητα:

10


Slide 11

J. Balmer

Ατομικά Φάσματα
Εκπομπής-Απορρόφησης

T. Lyman

 Για m=1 και n=2,3,4,… προκύπτει
η φασματική σειρά Lyman η οποία
βρίσκεται όλη στο υπεριώδες.
 Για m=2 και n=3,4,5,… προκύπτει
η φασματική σειρά Balmer η οποία
βρίσκεται όλη στο ορατό.
Πηγή: atomikatroxiaka.weebly.com
Χρήση ελεύθερη

 Για m=3 και n=4,5,6,… προκύπτει η φασματική σειρά Paschen η οποία
βρίσκεται στο ορατό και στο υπέρυθρο.
 Για m=4 και n=5,6,7,… προκύπτει η φασματική σειρά Brackett η
οποία βρίσκεται όλη στο υπέρυθρο.
 Για m=5 και n=6,7,8,… προκύπτει η φασματική σειρά Pfund η οποία
βρίσκεται όλη στο υπέρυθρο.

11


Slide 12

J. Balmer

Ατομικά Φάσματα
Εκπομπής-Απορρόφησης

T. Lyman

Αντίστοιχοι εμπειρικοί τύποι έχουν βρεθεί και
για τα ατομικά φάσματα άλλων στοιχείων.
Έτσι για τα αλκαλικά μέταλλα, Li, Na, K, κλπ
ισχύει ο τύπος:

Τα α και b είναι εμπειρικές σταθερές διαφορετικές για κάθε στοιχείο
και φασματική σειρά.
Η σταθερά R είναι η σταθερά Rydberg για το στοιχείο, η οποία
διαφέρει ελάχιστα από αυτήν του Υδρογόνου.
Η σταθερά R παρουσιάζει μια μικρή αύξηση της τιμής της με την
αύξηση του ατομικού βάρους του στοιχείου.

12


Slide 13

Ατομικά φάσματα
Οι πρώτες…
προσπάθειες ερμηνείας
J.J Thomson
Nobel Prize
documentary

E. Rutherford
Nobel Prize
lecture
13


Slide 14

Ατομικά φάσματα – Οι πρώτες…
Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα
Στο τέλος της ενότητας αυτής, ο φοιτητής θα γνωρίζει:
 Το περιεχόμενο και την αποτυχία του πρώτου ατομικού μοντέλου
από τον J.J Thomson.
 Το πλανητικό ατομικό μοντέλο του Rutherford και τα
μειονεκτήματά του.
 Το «μυστήριο» της ατομικής σταθερότητας.
 Την αδυναμία της κλασσικής φυσικής να ερμηνεύσει τη
σταθερότητα του ατόμου.

14


Slide 15

Ατομικά Φάσματα. Οι πρώτες… προσπάθειες
ερμηνείας. Το πρότυπο του Thomson
Μέσω των εμπειρικών τύπων εμφανίζεται κάποια κανονικότητα στην
εμφάνιση των γραμμών των ατομικών φασμάτων. Δεν προκύπτουν όμως
από κάποιο θεωρητικό υπόβαθρο.
Η πρώτη προσπάθεια
έγινε από τον J.J.
Thomson ο οποίος
Σφαιρική κατανομή προσομοίασε το άτομο ως
ένα σταφιδόψωμο όπου
θετικού φορτίου
το θετικό φορτίο του
ατόμου καταλαμβάνει
ομογενώς μια σφαίρα
ακτίνας
R=10-10 m
Ηλεκτρόνια
όπου μέσα στο οποίο
κατανέμονται ομοιόμορφα
τα ηλεκτρόνια.
Σφαίρα ως σταφιδόψωμο

Ατομικό πρότυπο του Thomson

10-10m

15


Slide 16

Ατομικά Φάσματα. Οι πρώτες… προσπάθειες
ερμηνείας. Το πρότυπο του Thomson
Για το άτομο του Η ο Thomson πρότεινε το ηλεκτρόνιο να είναι στο
κέντρο της σφαιρικής κατανομής του θετικού φορτίου.
Έστω τώρα ότι το
ηλεκτρόνιο διεγείρεται
ηλεκτρικά και
Σφαιρική κατανομή μετατοπίζεται κατά r.
Τότε δέχεται μια δύναμη
θετικού φορτίου
Coulomb η οποία τείνει
να το επαναφέρει στην
αρχική του θέση.

Ατομικό πρότυπο του Thomson

10-10m

Ηλεκτρόνια

Σφαίρα ως σταφιδόψωμο
16


Slide 17

Ατομικά Φάσματα. Οι πρώτες… προσπάθειες
ερμηνείας. Το πρότυπο του Thomson

Επομένως το ηλεκτρόνιο εκτελεί αρμονική ταλάντωση με συχνότητα f :

Αντικαθιστώντας τις τιμές για το άτομο του Η προκύπτει:
f=2.5x1015Hz ή λ=1200
Επομένως επιλέγοντας καλύτερα την τιμή για το R μπορούμε να έχουμε
μια φασματική γραμμή στο ορατό. Όμως μόνο μία γραμμή και όχι το
γραμμικό φάσμα το οποίο παρατηρείται πειραματικά.
Το ατομικό πρότυπο του Thomson δεν μπορεί να εξηγήσει τα
ατομικά φάσματα.

17


Slide 18

Ατομικά Φάσματα. Οι πρώτες… προσπάθειες
ερμηνείας. Το πρότυπο του Rutherford
Μοντέλο Thomson

Μοντέλο Rutherford

Ατομικό πρότυπο του Rutherford

Ο Rutherford, ο οποίος ήταν μαθητής
του Thomson, πρότεινε το δικό του
ατομικό μοντέλο. Πρόκειται για το
πλανητικό ατομικό μοντέλο όπου το
Πηγή σχήματος: de.wikipedia.org
θετικό φορτίο του ατόμου καταλαμβάνει μια πολύ μικρή περιοχή ακτίνας
Φύλλο
-14 m που ονομάζεται πυρήνας, ενώ
Φύλλο
10
χρυσού
χρυσού
τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται, γύρω
Πηγή α
Πηγή α
από τον πυρήνα σε επίπεδες κυκλικές
σωματίων
σωματίων
Αναμενόμενα
τροχιές. Η ακτίνα του ατόμου είναι
αποτελέσματα
-10 m.
της
τάξης
των
10
Πραγματικό αποτέλεσμα
Η ανάγκη εισαγωγής του νέου προτύπου προέκυψε από τα πειράματα σκέδασης σωματίων α από πολύ λεπτά φύλλα χρυσού
που πραγματοποίησε ο Rutherford. Στα πειράματα αυτά διαπιστώθηκε ακόμα και οπισθοσκέδαση των σωματίων α γεγονός
που δεν μπορούσε να εξηγηθεί από το πρότυπο του Thomson.


Slide 19

Ατομικά Φάσματα. Οι πρώτες… προσπάθειες
ερμηνείας. Το πρότυπο του Rutherford
Ατομικό πρότυπο
του Rutherford

Αλλά και το ατομικό μοντέλο του Rutherford
δεν μπορεί να εξηγήσει τα ατομικά φάσματα
για τρεις λόγους:

 Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε κυκλικές
τροχιές άρα εκτελούν επιταχυνόμενη
κίνηση. Επομένως εκπέμπουν ΗΜ
ακτινοβολία αποβάλλοντας μέρος της
ενέργειάς τους. Η ακτίνα περιστροφής
τους διαρκώς μειώνεται με αποτέλεσμα,
πολύ γρήγορα, το άτομο να καταστρέφεται.
Δεν εξασφαλίζεται η σταθερότητα του
ατόμου.
Αστάθεια προτύπου Rutherford
Πηγή σχήματος: studopedia.org


Slide 20

Ατομικά Φάσματα. Οι πρώτες… προσπάθειες
ερμηνείας. Το πρότυπο του Rutherford
Ατομικό πρότυπο
του Rutherford

 Παράλληλα, καθώς η ακτίνα περιστροφής

του ηλεκτρονίου μειώνεται, η συχνότητα
της εκπεμπόμενης ΗΜ ακτινοβολίας θα
μεταβάλλεται συνεχώς. Επομένως το
φάσμα που θα προκύψει, έως ότου το
άτομο καταστραφεί, θα είναι συνεχές και
όχι γραμμικό.

Τέλος, τα άτομα θα ήταν ασταθή λόγω
των κρούσεών τους με άλλα άτομα. Οι
κρούσεις αυτές οδηγούν στη μεταβολή των
τροχιών των ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα
Αστάθεια προτύπου Rutherford
το άτομο να μην έχει σταθερή μορφή.
Πηγή σχήματος: studopedia.org

 Όλα αυτά τα προβλήματα απαντήθηκαν από τον N. Bohr και τις

ιδιοφυείς υποθέσεις του.


Slide 21

Ερωτήσεις - Ασκήσεις
J. Balmer

T. Lyman

 Να αποδείξετε ότι ο τύπος

για τη σειρά

Balmer είναι ισοδύναμος με τον τύπο του Rydberg
όπου R=22/C2 . Το C2 είναι το μεγαλύτερο
μήκος κύματος της σειράς Balmer. Επιβεβαιώστε ότι ο
λόγος 22/C2 έχει την ίδια τιμή με τη σταθερά Rydberg.
 Υπολογίστε το μεγαλύτερο και το μικρότερο μήκος κύματος
της σειράς Paschen. Ποιες ενέργειες αντιστοιχούν σε
αυτά τα μήκη κύματος;

21


Slide 22

Ερωτήσεις - Ασκήσεις
J. Balmer

T. Lyman

 Υπολογίστε τα μήκη κύματος λ των τεσσάρων πρώτων
γραμμών της σειράς Balmer για το υδρογόνο. Σε ποια
περιοχή του ΗΜ φάσματος ανήκουν;
 Υπολογίστε τα μήκη κύματος λ των τεσσάρων πρώτων
γραμμών της σειράς Lyman για το υδρογόνο. Σε ποια
περιοχή του ΗΜ φάσματος ανήκουν;
 Να υπολογίσετε την τιμή του n για την γραμμή της σειράς
Lyman για το υδρογόνο με μήκος κύματος 102,6 nm. Το
μήκος κύματος αυτό μπορεί να ανήκει στη σειρά Paschen ή
στη σειρά Brackett;
 Σε ποια περιοχή του ΗΜ φάσματος ανήκουν οι σειρές
Paschen, Brackett και Pfund;

22


Slide 23

Ερωτήσεις - Ασκήσεις
J. Balmer

T. Lyman

 Ποιες είναι οι εμπειρικές σχέσεις οι οποίες περιγράφουν
τα ατομικά φάσματα των αλκαλίων;
 Να περιγράψετε τους βασικούς λόγους που το ατομικό
μοντέλο Thomson αποτυγχάνει να εξηγήσει τα ατομικά
φάσματα.
 Να περιγράψετε τους βασικούς λόγους που το ατομικό
μοντέλο Rutherford αποτυγχάνει να εξηγήσει τα ατομικά
φάσματα.

23


Slide 24

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ


Slide 25

Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων
Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από τις προσωπικές σημειώσεις και το
υλικό παρουσιάσεων του μαθήματος όπως δημιουργήθηκαν από τον
Καθηγητή κ. Χριστόφορο Κροντηρά.
Οι εικόνες και οι φωτογραφίες των μεγάλων Φυσικών που δημιούργησαν την
σύγχρονη θεώρηση της Φύσης, είναι διάσπαρτες σε όλο το δίκτυο και την
βιβλιογραφία και αποτελούν κοινό κτήμα της ανθρωπότητας εκτός αν
αναγράφεται διαφορετικά στις αντίστοιχες παραπομπές. Οι ιστότοποι
προέλευσης όσων αναφέρονται ήταν ενεργοί κατά την 21η Ιουνίου 2015
οπότε και καταχωρήθηκαν οι παραπομπές.


Slide 26

Σημείωμα αναφοράς
Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Χριστόφορος Κροντηράς.
«Σύγχρονη Φυσική. Ενότητα 4». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015.
Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:
https://eclass.upatras.gr/courses /PHY1961/


Slide 27

Σημείωμα αδειοδότησης
Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη
Εμπορική Χρήση, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα
αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα
οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων».

[1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση:
•που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα
του έργου και αδειοδόχο
•που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο
•που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ.
διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο
Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για
εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

27


Slide 28

Διατήρηση σημειωμάτων
Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να
συμπεριλαμβάνει:
 το Σημείωμα Αναφοράς
 το Σημείωμα Αδειοδότησης
 τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων
 το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφ’ όσον υπάρχει).

Τέλος Ενότητας