4) interprets spectral lines as a result of transitions between energy levels in atoms with the emission or absorption of a quantum of light; distinguishes between the ground stateground stateground state and excited states of the atom.
The students present the gathered knowledge about the historical models of an atom. They prepare together the timeline of discoveries important to the development of the atom model.
The students remind the properties of emissionemissionemission and absorptionabsorptionabsorption spectra.
Task 1
Remind how the atomic emission and absorption spectra look like?
The teacher introduces the concept of the model of hydrogen atomhydrogen atomhydrogen atom.
Every atom has its own characteristic spectrum. The spectral lines can be used as “fingerprint” to identify the element.
The hydrogen emission spectrum, known as Balmer series, consists of four lines in the visible light range, accompanied by spectral lines with wavelengths smaller than 400 nm.
[Illustration 1]
Niels Bohr in 1913 proposed that all atomic spectral lines arise from transitions between discrete energy levels, giving a photon with an energy:
where: n and k - are numbers of the orbits, h - is Planck’s constant, and - are the frequency and wavelength associated with the emitted photon, c - is the speed of light.
In his model of the hydrogen atomhydrogen atomhydrogen atom, an electron is moving around the nucleus following fixed orbits, called stationary states. The sizes of the orbits and the electron’s energy in a given orbit are restricted. In this model the energy of the classical electron orbit with the quantisation of angular momentum was combined and yielded expressions which described orbit radii and corresponding energies.
[Interactive graphics]
The allowed radii for electrons in circular orbits of the hydrogen atom are then given by:
where: rIndeks dolny 00 - is known as Bohr radius:
where: n = 1, 2, 3, ... - is called the principal quantum number, h – Planck’s constant, k – Coulomb’s constant, m – electron mass, e - electron charge.
The total energy of hydrogen atomhydrogen atomhydrogen atom is expressed as:
where:
The sign of energy is negative, what means that electrons are bound in the atom.
The students solve simple problems.
Task 2
The electron has the least energy when n = 1 which corresponds to the first Bohr orbit. This lowest energy state is called the ground stateground stateground state. Calculate the electron energy on this orbit.
Answer:
.
Definition:
Ground state – the lowest energy state of an atom. All other states are called excited states.
Model Bohra był ważnym pierwszym krokiem w rozwoju mechaniki kwantowej. Wprowadził kwantyzację poziomów energii w atomie i dał zgodność z danymi uzyskiwanymi doświadczalnie – poprzez obserwację i analizę linii widmowych.
Gdy atom wodoru pochłania energię, elektron przenoszony jest ze stanu podstawowego (n = 1) na wyższą orbitę. Następnie elektron powraca na niższą orbitę emitując przy tym energię. Różnica energii między danymi stanami jest zawsze taka sama, dlatego częstotliwość emitowanego światła jest również taka sama i tworzy charakterystyczne widmo liniowe.
mb6dd54622959f4a2_1528449000663_0
Budowa atomu wodoru. Stan podstawowy i stany wzbudzone
mb6dd54622959f4a2_1528449084556_0
Trzeci
mb6dd54622959f4a2_1528449076687_0
X. Fizyka atomowa. Uczeń:
4) interpretuje linie widmowe jako skutek przejść między poziomami energetycznymi w atomach z emisją lub absorpcją kwantu światła; rozróżnia stan podstawowy i stany wzbudzone atomu.
mb6dd54622959f4a2_1528449068082_0
45 minut
mb6dd54622959f4a2_1528449523725_0
Wyjaśnia koncepcje Bohra dotyczące dyskretnych poziomów energii.
mb6dd54622959f4a2_1528449552113_0
1. Rozróżnia stan podstawowy i stany wzbudzone atomu.
2. Opisuje widma emisyjne i absorpcyjne atomu wodoru.
mb6dd54622959f4a2_1528450430307_0
Uczeń:
- opisuje model Bohra atomu wodoru,
- objaśnia widma emisyjne i absorpcyjne atomu wodoru.
mb6dd54622959f4a2_1528449534267_0
1. Dyskusja.
2. Analiza tekstu.
mb6dd54622959f4a2_1528449514617_0
1. Praca indywidualna.
2. Praca grupowa.
mb6dd54622959f4a2_1528450127855_0
Uczniowie przedstawiają zgromadzoną wiedzę na temat historycznych modeli atomu. Przedstawiają na osi czasu odkrycia ważne dla rozwoju modelu atomu.
Jak rozwijał się model atomu?
mb6dd54622959f4a2_1528446435040_0
Uczniowie przypominają własności widm emisyjnych i absorpcyjnych.
Polecenie 1
Przypomnij, jak wyglądają atomowe widma emisyjne i absorpcyjne?
Nauczyciel wprowadza pojęcie modelu atomu wodoru.
Każdy atom ma swoje własne charakterystyczne widmo. Linie widmowe są niejako „odciskiem palca” danego pierwiastka i służą do jego identyfikacji.
Widmo emisyjne wodoru, znane jako seria Balmera, składa się z czterech linii widmowych w zakresie światła widzialnego wraz z towarzyszącymi liniami o długości fali mniejszej niż 400 nm.
[Ilustracja 1]
Niels Bohr w 1913 r. zaproponował, że wszystkie widmowe linie atomowe powstają w wyniku przejść między dyskretnymi poziomami energii, dających foton o energii:
gdzie: n i k - oznaczają orbity atomowe, h - jest stałą Plancka, i - są odpowiednio częstotliwością i długością fali związanej z emitowanym fotonem, c - jest prędkością światła.
W jego modelu atomu wodoru elektron porusza się wokół jądra po ustalonych orbitach, zwanych stanami stacjonarnymi. Rozmiary orbit i energia elektronu na danej orbicie mogą przyjmować ograniczone wartości. W tym modelu połączono energię klasycznej orbity elektronowej z kwantyzacją momentu pędu i uzyskano wyrażenia opisujące promienie orbit i odpowiadające im energie.
[Grafika interaktywna]
Dozwolone promienie orbit kołowych elektronów w atomie wodoru są wyrażone wzorem:
gdzie: rIndeks dolny 00 - jest nazywane promieniem Bohra:
gdzie: n = 1, 2, 3, ... - jest nazywane główną liczbą kwantową, h – stała Plancka, k – stała Kulomba, m – masa elektronu, e – ładunek elektronu.
Całkowita energia atomu wodoru wyrażona jest jako:
gdzie:
Znak energii jest ujemny, co oznacza, że elektrony są związane w atomie.
Uczniowie rozwiązują proste zadania.
Polecenie 2
Elektron ma najmniejszą energię, gdy n = 1, co odpowiada pierwszej orbicie Bohra. Ten najniższy stan energetyczny nazywany jest stanem podstawowym. Oblicz energię elektronu na tej orbicie.
Odpowiedź:
.
Definicja: Stan podstawowy - najniższy stan energetyczny atomu. Wszystkie inne stany nazywane są stanami wzbudzonymi.
Teoria Bohra z powodzeniem wyjaśniła pochodzenie widma atomu wodoru.
Gdy atom wodoru pochłania energię, elektron przenoszony jest ze stanu podstawowego (n = 1) na wyższą orbitę. Następnie elektron powraca na niższą orbitę emitując przy tym energię. Różnica energii między danymi stanami jest zawsze taka sama, dlatego częstotliwość emitowanego światła jest również taka sama i tworzy charakterystyczne widmo liniowe.
[Ilustracja 2]
mb6dd54622959f4a2_1528450119332_0
Model Bohra był ważnym pierwszym krokiem w rozwoju mechaniki kwantowej. Wprowadził kwantyzację poziomów energii w atomie i dał zgodność z danymi uzyskiwanymi doświadczalnie – poprzez obserwację i analizę linii widmowych.