Mục lục bài viết
1. Quang phổ vạch của nguyên tử hidro:
Quang phổ vạch của nguyên tử hidro (hay phổ vạch hidro) là tập hợp các đường vạch sáng và tối xuất hiện trên một quang phổ khi ánh sáng hoặc bức xạ đi qua một nguyên tử hidro. Đây là một hiện tượng phổ biến trong việc nghiên cứu các nguyên tử và phân tử.
Các đường vạch sáng xuất hiện do các nguyên tử bắt photon (hạt tử năng lượng ánh sáng) và chuyển đổi nó thành năng lượng điện tử. Khi điện tử rơi về vị trí ban đầu, nó phát ra một lượng năng lượng quang học trong dạng sóng điện từ, tạo ra các đường vạch sáng trên quang phổ.
Quang phổ vạch của nguyên tử hidro đã được nghiên cứu và mô tả một cách chi tiết bởi nhiều nhà khoa học. Các đường vạch trên phổ này được gắn liền với các quá trình điện tử chuyển động giữa các mức năng lượng khác nhau trong nguyên tử hidro. Ví dụ, các dòng Lyman, Balmer và Paschen của phổ vạch hidro được đặt theo tên của các nhà khoa học nghiên cứu đầu tiên về chúng.
Những hiểu biết về quang phổ vạch của nguyên tử hidro đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển lý thuyết nguyên tử và cơ sở cho nhiều ứng dụng trong vật lý, hóa học, và thiên văn học.
2. Cấu trúc của quang phổ vạch hidro:
Quang phổ vạch của nguyên tử hidro (hay còn gọi là phổ vạch hidro) bao gồm các đường vạch sáng và tối xuất hiện trên quang phổ khi ánh sáng hoặc bức xạ đi qua nguyên tử hidro. Cấu trúc của quang phổ vạch hidro được phân tích một cách cụ thể và được gắn liền với các quá trình chuyển động điện tử trong nguyên tử.
Các đường vạch sáng trên phổ vạch hidro chủ yếu được chia thành các chuỗi vạch phụ thuộc vào việc điện tử di chuyển giữa các mức năng lượng khác nhau trong nguyên tử. Các chuỗi quan trọng bao gồm:
– Chuỗi Lyman (n = 1): Đây là chuỗi chính với năng lượng thấp nhất. Các điện tử rơi về mức năng lượng cơ sở (n = 1), tạo ra các dòng vạch trong vùng tử năng lượng này.
– Chuỗi Balmer (n = 2): Chuỗi Balmer có các vạch chủ yếu được tạo ra khi điện tử rơi về mức năng lượng thứ hai (n = 2).
– Chuỗi Paschen (n = 3): Các đường vạch trong chuỗi Paschen được tạo ra khi điện tử rơi về mức năng lượng thứ ba (n = 3).
Ngoài các chuỗi chính này, còn có các chuỗi khác như Brackett (n = 4), Pfund (n = 5), và nhiều chuỗi khác nữa với các giá trị n lớn hơn.
Cấu trúc của phổ vạch hidro cho thấy sự tăng dần của năng lượng điện tử và cung cấp thông tin về các quá trình chuyển động điện tử trong nguyên tử hidro.
Việc nghiên cứu và phân tích cấu trúc của phổ vạch hidro đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển lý thuyết nguyên tử và cơ sở cho nhiều ứng dụng trong vật lý, hóa học và thiên văn học.
3. Mô hình Bohr:
Mô hình Bohr là một mô hình nguyên tử được nhà vật lý học Niels Bohr đề xuất vào năm 1913. Mô hình này cung cấp một cách tiếp cận đầu tiên cho cấu trúc và hành vi của các nguyên tử.
Dưới đây là các điểm chính của mô hình Bohr:
– Quỹ đạo điện tử: Bohr giả sử rằng các điện tử trong nguyên tử di chuyển theo quỹ đạo xác định và ổn định xung quanh hạt nhân.
– Tầng năng lượng: Các quỹ đạo có các tầng năng lượng khác nhau. Các điện tử có thể chỉ có thể tìm thấy trong các tầng năng lượng nhất định, được ký hiệu bằng n=1,2,3,…. Tầng năng lượng n=1 gọi là tầng cơ sở, n=2 là tầng thứ nhất, và cứ tiếp tục như vậy.
– Tăng năng lượng điện tử: Bohr cho rằng các điện tử ở các tầng năng lượng cao hơn có năng lượng lớn hơn. Khi điện tử nhận năng lượng từ bên ngoài, nó có thể nhảy lên các tầng năng lượng cao hơn, và khi nó rơi về lại tầng thấp hơn, nó sẽ phát xạ năng lượng dưới dạng ánh sáng.
– Phát xạ ánh sáng: Bohr đã giải thích phổ vạch của nguyên tử hidro bằng cách nói rằng khi các điện tử rơi về các tầng năng lượng thấp hơn, chúng phát ra ánh sáng có tần số tương ứng với sự chuyển động này.
– Không mất năng lượng liên tục : Mô hình Bohr giả sử rằng các điện tử không mất năng lượng liên tục khi di chuyển trên quỹ đạo, mà chỉ mất/giảm năng lượng khi nhảy giữa các tầng năng lượng khác nhau.
Mặc dù mô hình Bohr đã giải thích một số hiện tượng quan trọng liên quan đến cấu trúc nguyên tử, nó cũng có hạn chế. Ví dụ, nó không thể giải thích một số đặc tính về cấu trúc nguyên tử phức tạp hơn. Tuy nhiên, mô hình này đã mở ra con đường cho nhiều nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vật lý nguyên tử và đã đóng góp quan trọng vào việc phát triển lý thuyết nguyên tử hiện đại.
4. Ứng dụng của quang phổ vạch hidro:
Quang phổ vạch hidro (phổ vạch của nguyên tử hidro) đã có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng của quang phổ vạch hidro:
– Nghiên cứu nguyên tử và cấu trúc nguyên tử: Phổ vạch hidro cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc và hành vi của các nguyên tử. Nó giúp nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách mà các điện tử chuyển động trong các mức năng lượng khác nhau.
– Xác định tần số đèn phát ra: Các nguồn ánh sáng như đèn huỳnh quang và đèn sodium sử dụng các chất phát quang cung cấp quang phổ vạch đặc biệt. Các tần số của các đường vạch này giúp xác định chính xác tần số của ánh sáng phát ra.
– Đo khoảng cách sao xa: Các nhà thiên văn học sử dụng phổ vạch hidro để xác định khoảng cách đến các ngôi sao. Khi ngôi sao phát ra ánh sáng và các đường vạch hidro tạo ra phổ, các khoảng cách có thể được tính toán dựa trên đặc điểm của phổ.
– Xác định tính chất hóa học của sao: Các ngôi sao cũng có phổ vạch riêng biệt dựa trên thành phần hóa học của chúng. Bằng cách phân tích phổ vạch, các nhà thiên văn học có thể xác định thành phần hóa học của các ngôi sao và nghiên cứu về sự tiến hóa và cấu trúc của chúng.
– Y học và đo lường chiều sâu các mô trong cơ thể: Trong y học, kỹ thuật hình ảnh như siêu âm và MRI sử dụng sóng âm và sóng vận tốc cao để tạo ra hình ảnh các cơ, mạch máu và cơ quan trong cơ thể. Các tín hiệu và phổ vạch của sóng âm được sử dụng để phân tích và đo lường chiều sâu của các mô trong cơ thể.
– Nghiên cứu các quá trình điện tử trong hệ thống vật lý điện tử hóa học: Phổ vạch hidro cung cấp thông tin cần thiết để nghiên cứu về các quá trình điện tử trong các hệ thống vật lý, điện hóa và hóa học. Các nghiên cứu này quan trọng trong nghiên cứu hợp chất và vật liệu.
Như vậy, quang phổ vạch hidro không chỉ quan trọng trong việc hiểu về cấu trúc nguyên tử mà còn có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp khác nhau.
5. Bài tập vận dụng và lời giải:
Bài 1: Vạch đầu tiên (bước sóng dài nhất) trong dãy Lyman là λ21 = 121,2 nm. Hai vạch đầu trong dãy Balmer là λ32 = 0,6563 μm và λ42 = 0,4861 μm. Bước sóng của vạch thứ hai và vạch thứ ba trong dãy Lyman là
A. 341 nm; 910 nm.
B. 102,3 nm; 97,0 nm.
C. 0,672 μm; 0,455 μm.
D. 0,486 μm; 0,970 nm.
Lời giải:
Vạch thứ hai trong dãy Lyman là λ31 :
Vạch thứ ba trong dãy Lyman là λ41 :
Đáp án B
Bài 2: Chiếu một chùm sáng đơn sắc vào khối khí hydro loãng đang ở trạng thái cơ bản thì trong quang phổ phát xạ của khối khí đó có 6 vạch nằm trong vùng hồng ngoại, bước sóng ngắn nhất trong 6 vạch đó bằng 1,0960 μm. Theo mẫu nguyên tử Bohr thì bước sóng ngắn nhất trong quang phổ phát xạ của khối khí hydro đó là
A. 0,9701 μm. B. 0,1218 μm.
C. 0,0939 μm. D. 0,0913 μm.
Lời giải:
6 vạch vùng hồng ngoại thì mức đáy của nó phải từ mức 3 trở lên.
mức (từ 3 về 6) khối khí đã bị kích thích lên mức 6.
Bước sóng ngắn nhất trong 6 vạch hồng ngoại này là λ63 :
Bước sóng ngắn nhất trong quang phổ của Hydro là λ61 :
Chia vế với vế của (1) cho (2) :
Đáp án C
Bài 3: Theo mẫu nguyên tử Bohr, nếu một khối khí hydro loãng đang bức xạ ra ba loại phôtôn ánh sáng khác nhau với hai trong ba loại phôtôn đó có bước sóng là 0,1217 μm và 0,1027 μm thì phôtôn còn lại có bước sóng là
A. 1,2844 μm. B. 0,6578 μm.
C. 0,4861 μm. D. 0,4341 μm.
Lời giải:
, khối khí bị kích thích lên mức 3.
Từ mức 3 có thể phát ra các phôtôn có bước sóng: λ21, λ31 (vùng tử ngoại) và λ32 (vùng as nhìn thấy).
Đề bài đã cho 2 trong 3 bức xạ có bước sóng là 0,1217 μm và 0,1027 μm ∈ vùng tử ngoại nên bước sóng còn lại là λ32.
Đáp án B
Bài 4: Đối với nguyên tử hiđrô, khi êlectron chuyển từ quỹ đạo L về quỹ đạo K thì nguyên tử phát ra phôtôn ứng với bước sóng 121,8 nm. Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo M về quỹ đạo L. nguyên tử phát ra phôtôn ứng với bước sóng 656,3 nm. Khi êlectron chuyển từ quỹ đại M về quỹ đạo K, nguyên tử phát ra phôtôn ứng với bước sóng
A. 534,5 nm. B. 95,7 nm.
C. 102,7 nm. D. 309,1 nm.
Lời giải:
Ta có: EM – EK = EM – EL + EL – EK
Đáp án C
Bài 5: Đối với nguyên tử hiđrô, các mức năng lượng ứng với các quỹ đạo dừng K, M có giá trị lần lượt là: -13,6 eV; -1,51 eV. Cho biết h = 6,625.10-34 Js; c = 3.108 m/s và e = 1,6.10-19C. Khi electron chuyển từ quỹ đạo dừng M về quỹ đạo dừng K, thì nguyên tử hiđrô có thể phát ra bức xạ có bước sóng
A. 102,7 μm. B. 102,7 mm.
C. 102,7 nm. D. 102,7 pm.
Lời giải:
Ta có:
Đáp án C
Bài 6: Theo tiên đề của Bo, khi electron trong nguyên tử hiđrô chuyển từ quỹ đạo L sang quỹ đạo K thì nguyên tử phát ra phôtôn có bước sóng λ21, khi electron chuyển từ quỹ đạo M sang quỹ đạo L thì nguyên tử phát ra phôtôn có bước sóng λ32 và khi electron chuyển từ quỹ đạo M sang quỹ đạo K thì nguyên tử phát ra phôtôn có bước sóng λ31. Biểu thức xác định λ31 là
Lời giải:
Đáp án D
