Temat

Budowa atomu wodoru. Stan podstawowy i stany wzbudzone

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XI. 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.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Wyjaśnia koncepcje Bohra dotyczące dyskretnych poziomów energii.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Rozróżnia stan podstawowy i stany wzbudzone atomu.

2. Opisuje widma emisyjne i absorpcyjne atomu wodoru.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje model Bohra atomu wodoru,

- objaśnia widma emisyjne i absorpcyjne atomu wodoru.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Uczniowie przedstawiają zgromadzoną wiedzę na temat historycznych modeli atomu. Przedstawiają na osi czasu odkrycia ważne dla rozwoju modelu atomu.

Jak rozwijał się model atomu?

Realizacja lekcji

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,
$\nu$ i $\lambda$ - 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:

$E_1=-13,6eV$.

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]

Podsumowanie lekcji

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.