Dòng Balmer: Các vạch quang phổ hydro nhìn thấy được
1 · Dự đoán
Một electron trong nguyên tử hydro rơi từ mức năng lượng cao hơn xuống mức n = 2, phát ra một photon (dãy Balmer - vạch hydro duy nhất mà mắt người có thể nhìn thấy được). Bước sóng phát ra có phụ thuộc vào mức độ bắt đầu của electron không?
- Có - các mức bắt đầu khác nhau sẽ tạo ra các bước sóng khác nhau, có khoảng cách riêng biệt (các vạch Balmer Hα, Hβ, Hγ...).
- Không - mọi chuyển đổi xuống n = 2 đều phát ra cùng một bước sóng.
- Bước sóng có thể là bất cứ thứ gì trong một phạm vi liên tục, không phải các giá trị rời rạc.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước Balmer-alpha và nhấn Reset. Chuyển đổi mặc định của giá trị đặt trước này là n = 3 → n = 2 (Hα, dòng Balmer màu đỏ).
- Kích hoạt tính năng đọc bước sóng phát ra.
- Đặt mức năng lượng ban đầu n_initial cho mỗi lần thử (giảm xuống n_final = 2) và ghi lại bước sóng phát ra.
3 · Thu thập dữ liệu
| Cấp độ bắt đầu n_i | Bước sóng phát ra λ (nm) |
|---|---|
| 3 | |
| 4 | |
| 5 |
Vẽ biểu đồ 1/λ (trục y) theo 1/n_i² (trục x) cho ba lần thử của bạn. Đường thẳng có thẳng không?
4 · Phân tích
- Đối với một lần thử, hãy tính 1 /λ = R(1/n_f² − 1 /n_i²) bằng cách sử dụng hằng số Rydberg R = 1.097×10⁷ m⁻¹ và n_f = 2 . So sánh với bảng.
- Giải thích tại sao các bước sóng trở nên ngắn hơn (năng lượng cao hơn) khi n_i tăng, nhưng khoảng cách giữa các vạch liên tiếp (Hα, Hβ, Hγ) lại co lại - chúng hội tụ về một giới hạn chuỗi thay vì trải ra vô thời hạn.
5 · Gia hạn
- Dãy Balmer là dãy hydro duy nhất nằm trong quang phổ khả kiến (khoảng 400–700 nm) - đó là lý do tại sao nó là dãy được phát hiện đầu tiên trong lịch sử bởi Johann Balmer vào năm 1885, trước khi lý thuyết nguyên tử cơ bản tồn tại. Giải thích tại sao chuỗi Lyman (giảm xuống n = 1) và chuỗi Paschen (giảm xuống n = 3) nằm ngoài ánh sáng khả kiến.
- Các nhà thiên văn học xác định hydro trong các ngôi sao ở xa bằng cách phát hiện các bước sóng Balmer chính xác này trong quang phổ ánh sáng của sao. Giải thích tại sao việc tìm thấy bước sóng Balmer-alpha bị dịch chuyển (không chính xác) trong quang phổ của một ngôi sao cho các nhà thiên văn biết rằng ngôi sao đang chuyển động so với Trái đất (hiệu ứng Doppler).
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Công thức Rydberg (Mô hình Bohr)
Bước sóng ánh sáng phát ra khi một electron hydro giảm từ mức n_i xuống n_f tuân theo 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²), trong đó R là hằng số Rydberg — hệ quả trực tiếp của các mức năng lượng lượng tử hóa của mô hình Bohr.