La sèrie de Balmer: línies espectrals visibles de l'hidrogen
1 · Prediu
Un electró en un àtom d'hidrogen baixa d'un nivell d'energia més alt al nivell n = 2, emetent un fotó (la sèrie de Balmer, les úniques línies de l'hidrogen visibles a l'ull humà). Depèn la longitud d'ona emesa del nivell d'on venia l'electró?
- Sí: nivells inicials diferents donen longituds d'ona diferents i discretament espaiades (les línies de Balmer Hα, Hβ, Hγ...).
- No: tota transició cap a n = 2 emet la mateixa longitud d'ona.
- La longitud d'ona pot ser qualsevol en un interval continu, no valors discrets.
2 · Configura
- Obre el predefinit «La sèrie de Balmer» i prem Restableix. La transició per defecte d'aquest predefinit és n = 3 → n = 2 (Hα, la línia vermella de Balmer).
- Activa la lectura de longitud d'ona emesa.
- Defineix el nivell d'energia inicial n_initial per a cada prova (baixant a n_final = 2) i enregistra la longitud d'ona emesa.
3 · Recull dades
| Nivell inicial n_i | Longitud d'ona emesa λ (nm) |
|---|---|
| 3 | |
| 4 | |
| 5 |
Representa 1/λ (eix y) contra 1/n_i² (eix x) per a les tres proves. La línia és recta?
4 · Analitza
- Per a una prova, calcula 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²) amb la constant de Rydberg R = 1.09678×10⁷ m⁻¹ i n_f = 2. Compara-ho amb la taula.
- Explica per què les longituds d'ona s'escurcen (més energia) quan n_i augmenta, però la separació entre línies successives (Hα, Hβ, Hγ) s'encongeix: convergeixen cap a un límit de sèrie en lloc d'estendre's indefinidament.
5 · Amplia
- La sèrie de Balmer és l'única sèrie de l'hidrogen que cau a l'espectre visible (aproximadament 400–700 nm): per això és la descoberta històricament primer, per Johann Balmer el 1885, abans que existís la teoria atòmica subjacent. Explica per què la sèrie de Lyman (baixant a n = 1) i la de Paschen (baixant a n = 3) cauen fora de la llum visible.
- Els astrònoms identifiquen hidrogen en estrelles llunyanes detectant aquestes longituds d'ona exactes de Balmer en espectres de llum estel·lar. Explica per què trobar una longitud d'ona Balmer-alfa desplaçada (no exacta) en l'espectre d'una estrella diu als astrònoms que l'estrella es mou respecte de la Terra (efecte Doppler).
La física al darrere d'aquest experiment
Relació longitud d’ona–energia del fotó
Un cop la transició entre nivells d’energia del model de Bohr (de n_i a n_f) dona l’energia ΔE del fotó emès, la seva longitud d’ona es deriva directament de λ = hc/ΔE — la mateixa relació que lliga l’energia de qualsevol fotó amb la seva longitud d’ona. El propi espaiat dels nivells, i per tant ΔE, el fixa la fórmula de Rydberg 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²).
Física moderna
- L'efecte fotoelèctric: un llindar d'energia nítid
- L'efecte fotoelèctric: potencial de frenament
- Una fotocèl·lula real: la funció treball del sodi
- Dispersió de Compton: desplaçament de longitud d'ona a 90°
- Dispersió de Compton: desplaçament màxim a retrodispersió
- Dispersió de Compton: comparació en angle ras
- La sèrie de Lyman: línies ultraviolades de l'hidrogen
- La sèrie de Paschen: línies infraroges de l'hidrogen
- Desintegració radioactiva: datació amb carboni-14
- Radioisòtops mèdics: el període curt del tecneci-99m
- Energia de lligam nuclear: el model de gota líquida
- Ones de matèria de De Broglie: la longitud d'ona d'un electró
138 fulls de treball de laboratori de física gratuïts i imprimibles