A série Balmer: linhas espectrais de hidrogênio visíveis
1 · Prever
Um elétron em um átomo de hidrogênio cai de um nível de energia superior até o nível n = 2, emitindo um fóton (a série de Balmer – as únicas linhas de hidrogênio visíveis ao olho humano). O comprimento de onda emitido depende de qual nível o elétron partiu?
- Sim - diferentes níveis iniciais fornecem comprimentos de onda diferentes e discretamente espaçados (as linhas de Balmer Hα, Hβ, Hγ...).
- Não — cada transição até n = 2 emite o mesmo comprimento de onda.
- O comprimento de onda pode ser qualquer coisa em uma faixa contínua, e não valores discretos.
2 · Preparar
- Abra a predefinição balmer-alpha e pressione Redefinir. A transição padrão desta predefinição é n = 3 → n = 2 (Hα, a linha vermelha de Balmer).
- Habilite a leitura do comprimento de onda emitido.
- Defina o nível de energia inicial n_initial para cada tentativa (caindo para n_final = 2) e registre o comprimento de onda emitido.
3 · Coletar Dados
| Nível inicial n_i | Comprimento de onda emitido λ (nm) |
|---|---|
| 3 | |
| 4 | |
| 5 |
Plote 1/λ (eixo y) versus 1/n_i² (eixo x) para suas três tentativas. A linha é reta?
4 · Analisar
- Para uma tentativa, calcule 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²) usando a constante de Rydberg R = 1.097×10⁷ m⁻¹ e n_f = 2. Compare com a tabela.
- Explique por que os comprimentos de onda ficam mais curtos (maior energia) à medida que n_i aumenta, mas o espaçamento entre linhas sucessivas (Hα, Hβ, Hγ) diminui - elas convergem para um limite de série em vez de se espalharem indefinidamente.
5 · Aprofundar
- A série Balmer é a única série do hidrogênio que se enquadra no espectro visível (aproximadamente 400 – 700 nm) - é por isso que é a primeira descoberta historicamente, por Johann Balmer em 1885, antes da existência da teoria atômica subjacente. Explique por que as séries de Lyman (caindo para n = 1) e as séries de Paschen (caindo para n = 3) ficam fora da luz visível.
- Os astrônomos identificam o hidrogênio em estrelas distantes detectando esses comprimentos de onda exatos de Balmer nos espectros de luz estelar. Explique por que encontrar um comprimento de onda Balmer-alfa deslocado (não exato) no espectro de uma estrela diz aos astrônomos que a estrela está se movendo em relação à Terra (o efeito Doppler).
A física por trás deste experimento
Fórmula de Rydberg (modelo de Bohr)
O comprimento de onda da luz emitida quando um elétron de hidrogênio cai do nível n_i para n_f segue 1/λ = R(1/n_f² - 1/n_i²), onde R é a constante de Rydberg - uma consequência direta dos níveis de energia quantizados do modelo de Bohr.