Модель Бора та спектри водню

Електрони в атомі можуть займати лише окремі фіксовані енергетичні рівні, як сходинки драбини — між ними вони сидіти не можуть. Коли електрон стрибає з вищої сходинки на нижчу, він випромінює один фотон з точною різницею енергій — тому водень світиться різкими окремими кольорами, а не гладкою веселкою.

Формула

1/λ = R · (1/n₁² − 1/n₂²)

  • λ — довжина хвилі (m): довжина хвилі світла, випроміненого при переході електрона
  • R — стала Рідберга (1/m): фіксована стала, що задає масштаб енергетичних рівнів водню
  • n₁ — нижній рівень (—): рівень, на який приземляється електрон, ближче до ядра
  • n₂ — верхній рівень (—): рівень, з якого стартує електрон, далі від ядра

Розв'язаний приклад

Електрон в атомі водня падає з енергетичного рівня n = 3 на рівень n = 2 — перша лінія серії Бальмера. Знайдіть 1/λ через сталу Рідберга R.

  • n₁ = 2
  • n₂ = 3
  1. 1/λ = R · (1/n₁² − 1/n₂²)
  2. 1/λ = R · (1/4 − 1/9) = R · (9/36 − 4/36)

1/λ = 5R/36

Перевірте себе

Який фотон несе більше енергії: електрон, що падає з n = 2 на n = 1 (Лайман), чи з n = 3 на n = 2 (Бальмер)?
  • Правильна відповідь: Lyman (n = 2 → 1)
  • Balmer (n = 3 → 2)
  • Вони мають однакову енергію

Правильно! Падіння аж до n = 1 — більший стрибок енергії, ніж падіння до n = 2, тож фотон Лаймана має більше енергії — тому він потрапляє в УФ, а не у видиме світло.

Для переходу з n = 2 на n = 1 (перша лінія Лаймана) чому дорівнює 1/λ через R?
  • R/4
  • Правильна відповідь: 3R/4
  • 3R/2

Так! 1/n₁² − 1/n₂² = 1/1 − 1/4 = 3/4, тож 1/λ = 3R/4 — це лінія Лайман-альфа.

Де ви це бачите

Газорозрядна трубка з воднем світиться специфічним лавандово-рожевим кольором, а не суцільною веселкою, а астрономи зчитують склад зорі з темних ліній, які її атоми пробивають у спектрі. Обидва явища походять від електронів, що падають між фіксованими сходинками: кожне падіння випромінює один фотон із точною енергією різниці між сходинками.

Поширені помилки

По-перше, який перехід перемагає: більше падіння вивільняє фотон вищої енергії — падіння на n = 1 (серія Лаймана) випромінює більше, ніж падіння на n = 2 (серія Бальмера), бо сходинки щільнішають угору. Далі арифметика сходинок: у 1/λ фотона віднімаються обернені КВАДРАТИ, тому для переходу з n = 2 на n = 1 це 1/1² − 1/2² = 1 − 1/4 = 3/4, що дає 1/λ = 3R/4 — а не проста різниця n.

Як це пов'язано

Квантизація енергії стає атомною: фотони з фотоелектричного ефекту тепер пояснюють, чому атоми взагалі випромінюють різкі лінії. Але сходинки Бора були постулювані, а не пояснені — наступний урок, хвилі де Бройля, дає відповідь на «чому» (дозволені орбіти — це стоячі хвилі), і саме тому цю модель викладають як блискучий трамплін, яким вона й була.

Спробувати інтерактивне моделювання

Пов'язані концепції