De Balmer-serie: zichtbare waterstofspectraallijnen

1 · Voorspel

Een elektron in een waterstofatoom valt van een hoger energieniveau naar niveau n = 2 en zendt daarbij een foton uit (de Balmer-serie — de enige waterstoflijnen die het menselijk oog kan zien). Hangt de uitgezonden golflengte af van het niveau waar het elektron vandaan kwam?

Ja — verschillende beginniveaus geven verschillende, discreet gespreide golflengten (de Balmer-lijnen Hα, Hβ, Hγ...).
Nee — elke overgang naar n = 2 zendt dezelfde golflengte uit.
De golflengte kan alles zijn in een doorlopend bereik, geen discrete waarden.

2 · Opstelling

Open de voorinstelling balmer-alpha en druk op Herstel. De standaardovergang van deze voorinstelling is n = 3 → n = 2 (Hα, de rode Balmer-lijn).
Zet de aflezing van de uitgezonden golflengte aan.
Stel voor elke meting het beginenergieniveau n_initial in (dalen naar n_final = 2) en noteer de uitgezonden golflengte.

3 · Verzamel gegevens

Beginniveau n_i	Emissiegolflengte λ (nm)
3
4
5

Zet voor je drie metingen 1/λ (y-as) uit tegen 1/n_i² (x-as). Is de lijn recht?

4 · Analyseer

Reken voor één meting 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²) uit met de Rydbergconstante R = 1.097×10⁷ m⁻¹ en n_f = 2. Vergelijk met de tabel.
Leg uit waarom de golflengten korter worden (hogere energie) naarmate n_i toeneemt, maar de afstand tussen opeenvolgende lijnen (Hα, Hβ, Hγ) krimpt — ze convergeren naar een serielimiet in plaats van zich voor altijd te verspreiden.

5 · Verdiep

De Balmer-serie is de enige waterstofserie die in het zichtbare spectrum valt (ruwweg 400–700 nm) — daarom werd hij als eerste ontdekt, door Johann Balmer in 1885, vóórdat de onderliggende atoomtheorie bestond. Leg uit waarom de Lyman-serie (dalend naar n = 1) en de Paschen-serie (dalend naar n = 3) buiten het zichtbare licht vallen.
Astronomen herkennen waterstof in verre sterren door precies deze Balmer-golflengten te detecteren in sterrenlichtspectra. Leg uit waarom het vinden van een verschoven (niet exacte) Balmer-alfa-golflengte in het spectrum van een ster astronomen vertelt dat de ster beweegt ten opzichte van de aarde (het Doppler-effect).

De natuurkunde achter dit experiment

Formule van Rydberg (model van Bohr)

De golflengte van het licht dat wordt uitgezonden wanneer een waterstofelektron van niveau n_i naar n_f daalt volgt 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²), waarbij R de Rydbergconstante is — een rechtstreeks gevolg van de gekwantiseerde energieniveaus van het Bohr-model.

← Terug naar experiment

Moderne natuurkunde

138 gratis printbare labwerkbladen voor natuurkunde