Physics atom part 3

ฟสกสอะตอม 3การทดลองดานสเปกตรม

สเปกตรมจากอะตอมของแกส

การแผรงสของวตถด าทฤษฎอะตอมของโบร

การศกษาสเปกตรมของอะตอมเปนการศกษาเกยวกบการวดความยาวคลนและความเขม ของคลนแมเหลกไฟฟาทอะตอมปลอยออกมาหรอดดกลนเขาไป นกวทยาศาสตรไดอาศยผลการทดลองเกยวกบสเปกตรมของอะตอมเพอเปนแนวทาง ส าหรบสรางทฤษฎขนมาอธบายการจดเรยงตวของอเลกตรอนในอะตอม

ท าไมนกวทยาศาสตรสนใจศกษาสเปกตรมอะตอม

เพราะ สเปกตรมอะตอมเปรยบเสมอนลายพมพ นวมอของมนษยซงใชพสจนบคคลได เนองจากลายพมพนวมอแตละคนไมเหมอนกน เปนลกษณะเฉพาะบคคล สเปกตรมอะตอมกเชนกน เปนลกษณะเฉพาะอะตอม ธาตแตละชนดจะมชดของสเปกตรมอะตอมไมเหมอนกนเลย ดงนนเราจงใชขอมลทอานไดจากชดของสเปกตรมเพอพสจนอะตอมได

สเปกตรมอะตอม

เกดขนไดอยางไร

1: เกดจากการเผาวตถแขงหรอวตถเหลวใหรอน เชน การเผาเกลอแกง (NaCl) จะไดไอรอนของโซเดยม บรสทธซงจะปลอยคลนแสงทประกอบดวยคลนทก ยานความถอยางตอเนอง สเปกตรมทเกดจากวธนเรยกวา สเปกตรมตอเนองแถบสวาง (continuous bright spectrum)2: เกดจากการเผาแกสใหรอน แทนทจะเปนวตถแขง สเปกตรมทเกดจากวธนเรยกวา สเปกตรมเสนสวาง (bright line spectrum)3: เกดจากการปลอยใหคลนแสงทมความถตอเนอง(จากแบบท 1) ผานแกสเยน สเปกตรมทเกดจากวธน เรยกวา สเปกตรมตอเนองกบเสนมด (continuous spectrumwith dark lines)

ภาพนดดแปลงมาจาก http://www.astro.virginia.edu/class/majewski/astr313/lectures/spectroscopy/spec.html

สรปวาสเปกตรมอะตอมเกดจากการคายคลนแสงของอะตอมขณะรอน • ถาเปนอะตอมของวตถแขงหรอเหลวรอนจะใหสเปกตรม

ตอเนองแถบสวาง • ถาเปนอะตอมของแกสรอนจะใหสเปกตรมเสนสวาง • แตถาเปนอะตอมของแกสเยน จะไดสเปกตรมแบบเสนมด ซง

เกดจากการดดกลนคลนแสง

The above image shows a continuous spectrum (top), an absorption spectrum (middle), and an emission spectrum (bottom) for some of the "Balmer lines" of hydrogen—those that lie within the visible part of the spectrum. The sketch to the right is a more-detailed version, indicating additional possible transitions for an electron in a hydrogen atom.

ตวอยางสเปกตรมอะตอมแบบเสนสวางของธาตบางตว

ตวอยางการคายพลงงานของอเลกตรอนของอะตอมไฮโดรเจนเกดเปนสเปกตรมAt left is a hydrogen

spectral tube excited by a 5000 volt transformer. The three prominent hydrogen lines are shown at the right of the image through a 600 lines/mm diffraction grating.

•Violet (380-435nm) •Blue(435-500 nm)•Cyan (500-520 nm)•Green (520-565 nm)•Yellow (565- 590 nm)•Orange (590-625 nm)•Red (625-740 nm)

ความยาวคลนของสเปกตรมของแกสไฮโดรเจนรอนม 5 อนกรม โดยมชอเรยกตามนกวทยาศาสตรทคนพบสเปกตรมแตละเสนในอนกรมนน และสามารถค านวณหาคาความยาวคลนของสเปกตรมแตละเสนในอนกรมตางๆ ไดโดยใชสมการ

)n

1

n

1(R

12

i

2

f

H

เมอ คอ ความยาวคลนของสเปกตรม (m)RH คอ คานจของรดเบอรก = 1.1 x 107 m-1

nf คอ ตวเลขจ านวนเตมทเทากบ 2ni คอ ตวเลขจ านวนเตมเรมตงแต 3, 4, 5,....

อนกรมของสเปกตรมชดตางๆ ของไฮโดรเจน

ชออนกรม ปทคนพบสวนกลบของความยาวคลน nf ni ชวงของรงส

ไลมาน (Lyman) 1906-1914 1 2, 3, 4,... อลตราไวโอเลต( UV )

บลเมอร (Balmer) 1885 2 3, 4, 5,... แสงทตามองเหนถงUV

พาสเชน (Paschen) 1908 3 4, 5, 6,...

อนฟราเรด ( IR )แบรกเกต (Bracket) 1922 4 5, 6, 7,...

ฟนด (Pfund) 1924 5 6, 7, 8,...

)1

1

1(

122i

Hn

R

)1

2

1(

122i

Hn

R

)1

3

1(

122i

Hn

R

)1

4

1(

122i

Hn

R

)1

5

1(

122i

Hn

R

จากสมการของบลเมอร เมอเราแทนคา nf = 2ni = 3 จะได = 6,562.8 0A เปนความยาวคลนของแสงสแดงni = 4 จะได = 4,861.3 0A เปนความยาวคลนของแสงสน าเงนni = 5 จะได = 4,340.5 0A เปนความยาวคลนของแสงสมวงni = 6 จะได = 4,101.7 0A เปนความยาวคลนของแสงสเหนอมวง

)1

2

1(

122i

Hn

R

This spectrum was produced by exciting a glass tube of hydrogen gas with about 5000 volts from a transformer. It was viewed through a diffraction grating with 600 lines/mm. The colors cannot be expected to be accurate because of differences in display devices.

The spectral series of hydrogen, on a logarithmic scale.

http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html

สเปกตรมจากอะตอมของแกส

1. ระดบพลงงานในสด ( n = 1 ) จะเปนระดบทมพลงงานต า สด และถดออกมาจะเปน ระดบทมพลงงานมากขนเรอยๆ และปกตอเลกตรอนชอบทจะอยชนในสด ( n = 1 ) เพราะจะม เสถยรภาพมากทสด ภาวะเชนนเรยกสภาวะพน( Ground State )

สเปกตรมจากอะตอมของแกส

2. หากอเลกตรอนไดรบพลงงานทเหมาะสม อเลกตรอนจะดดพลงงานนนแลวเคลอนยายจากระดบพลงงานต าขนไประดบพลงงานสงกวาเดม เรยกภาวะเชนนวาเปนสภาวะกระตน ( Excited State ) แตภาวะถกกระตนนอเลกตรอนจะมพลงงานมากเกนไปจงไมเสถยร อเลกตรอนจะคายพลงงานสวนหนงออกมแลวเคลอนยายลงมาอยในระดบพลงงานทต ากวาเดม

สเปกตรมจากอะตอมของแกส

3. พลงงานทอเลกตรอนคายออกมาจะอยในรปของคลนแมเหลกไฟฟาเสมอ

จากการวเคราะหสเปกตรมของธาตไฮโดรเจน พบวาชดความถของเสนสเปกตรมในชวงทสามารถมองเหนไดดวยตาเปลานนมชอเรยกวาก. Lyman seriesข. Balmer seriesค. Paschen seriesง. Brackett series

ในชวงระดบพลงงานต าสดสามระดบแรกของอะตอมไฮโดรเจน คลนแมเหลกไฟฟาทควรพบจะอยในชดความถทเรยกวา

ก. ชดไลมานและชดบาลมเมอรข. ชดไลมานและชดพาเชนค. ชดบาลมเมอรและชดพาเชนง. ชดไลมาน ชดบาลมเมอร และชดพาเชน

การแผรงสของวตถด าวตถด า (Black Body ) คอ วตถทมการแผรงสคลนแมเหลกไฟฟาพลงงานทแผออกมาจากวตถด าแตละชนดจะขนอยกบแอมพลจดการสนของอะตอม จ านวนอะตอมในวตถ มขนาดของพลงงานเปน E = hf, 2hf, 3hf, . .. .. สามารถเขยนเปนสมการได วา E = n(hf)

เมอ n คอ เปนตวเลขจ านวนเตมบวก โดย n = 1,2, 3, . . . .f คอ ความถธรรมชาตการสนของอะตอมค ( Hz )h คอ คานจของแพลงค ( h = 6.63 x 10-34 J.s )

• ปรมาณ hf จงหมายถง 1 กอนพลงงานแสง ซงเรยกวา 1 ควอนตม หรอ 1 โฟตอน (1 เมดแสง)

• อเลกตรอนโวลต (eV) เปนหนวยวดพลงงานส าหรบอนภาคขนาดเลก โดย 1 eV = 1.6 x 10 -19 จล

• พลงงาน 1 eV. จะเปนพลงงานทไดจากการเรงอเลกตรอนผานความตางศกย 1 โวลต (เรงอเลกตรอน

• ผานความตางศกย V โวลต จะท าใหอเลกตรอนมพลงงานเปน Vอเลกตรอนโวลต)

Electron transitions and their resulting wavelengths for hydrogen. Energy levels are not to scale.

การเคลอนอเลกตรอน คลนแมเหลกไฟฟาทคาย ชอชดสเปกตรม(อนกรม)จากชนบน ลงมา ชน 1 รงสอลตราไวโอเลต ไลแมน จากชน 6 ลงมา ชน 2 แสงสมวง (410 nm) บลเมอรจากชน 5 ลงมา ชน 2 แสงสน าเงน(434 nm) จากชน 4 ลงมา ชน 2 แสงสน าทะเล (484 nm) จากชน 3 ลงมา ชน 2 แสงสแดง (656 nm) จากชนบน ลงมา ชน 3 รงสอนฟาเรด พาสเชน จากชนบน ลงมา ชน 4 รงสอนฟาเรด แบรกเกต จากชนบน ลงมา ชน 5 รงสอนฟาเรด ฟนด

ตวอยางการคายพลงงานของอเลกตรอนของอะตอมไฮโดรเจนเกดเปนสเปกตรมดงน

ทฤษฎอะตอมของโบรอะตอมประกอบดวยโปรตอนและนวตรอน อยภายในนวเคลยส สวนอเลกตรอนวงอยรอบ ๆ นวเคลยสเปนชน ๆ หรอเปนระดบพลงงานซงมคาเปนขน ๆ อยางเดดขาด ไมมคาทตอเนองกน

สรปผลการทดลองการเปลงแสงของธาตไฮโดรเจน เกดจากอเลกตรอนเปลยนระดบพลงงานจากวงโคจรสง

ไปสวงโคจรต า พรอมทงคายพลงงานในรปแสงสตาง ๆ

ศกษาสเปกตรมการเปลงแสงของธาตโดยบรรจแกสไฮโดรเจนในหลอดปลอยประจ จากนนใหพลงงานเขาไปพบวา อเลกตรอนเคลอนจากขวบวกไปขวลบชนกบแกสไฮโดรเจน จากนนเปลงแสงออกมาผานปรซมท าใหเราเหนเปนเสนสเปกตรมสตาง ๆ ตกบนฉากรบภาพ

โบร ไดเสนอแบบจ าลองอะตอมของไฮโดรเจนขนมาโดยนาแนวคดเรองควอนตมของ พลงงานของพลงค มาใชกบแบบจ าลองอะตอมของรทเทอรฟอรด พรอมทงเสนอสมมตฐานขน ใหม 2 ขอ ไดแก

• อเลกตรอนมวงโคจรรอบนวเคลยสเปนชนๆ โดยในแตละวงโคจรจะมโมเมนตมเชงมม

• เมออเลกตรอนเปลยนวงโคจรจะคายหรอดดพลงงาน เปน 1 ควอนตม

จากทฤษฎของโบรท าใหแสดงไดวา อะตอมไฮโดรเจน จะม

1. รศมอะตอม ;

2. อตราเรวของอเลกตรอน ;

3. พลงงานของอะตอม ;

ระดบพลงงาน - 13.6 eV เปนระดบพลงงานของอเลกตรอนอะตอมไฮโดรเจนวงในสด เรยกวา สถานะพน (ground state)

ถาอเลกตรอนอยในระดบพลงงานสงกวาสถานะพนหรอในวงโคจรท n ≥ 2 เรยกสภาวะนวา สถานะกระตน (excited state)

สเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน จะเกดจากการเปลยนวงโคจรของอเลกตรอน ค านวณไดจากความสมพนธจากสตร

หรอใชสตร Δ E (หนวยเปน eV) กบ λ (หนวยเปนนาโนเมตร) จากสตร

ภาพของอะตอมจากทฤษฎของเบอร (Bohr) คอ• ก. อเลกตรอนจะวงวนรอบนวเคลยสในวงโคจรบางวงโดยไมแผคลน

แมเหลกไฟฟาออกมา• ข. อเลกตรอนรอบ ๆ นวเคลยสเปนเสมอนกลมหมอกทหอหมนวเคลยส

อยทใดมหมอกหนาแนนมากจะมโอกาสพบอเลกตรอน ณ ทนนมาก• ค. อเลกตรอนวงวนรอบนวเคลยสดวยระยะหางจากนวเคลยสมาก เมอ

เทยบกบขนาดนวเคลยส• ง. อเลกตรอนทอยรอบนวเคลยสมสมบตคลนนง

อะตอมไฮโดรเจนจะอยในสถานะพน เมอวงโคจรอเลกตรอนก. ตดกบนวเคลยส ข. หลดจากอะตอมค. อยในระดบพลงงานต าสด ง. อยในสภาพสมดล

สเปคตรมทไดจากอะตอมของธาตตาง ๆ จะก. เหมอนกนส าหรบธาตทกธาตข. จะแสดงคณสมบตเฉพาะของแตละธาตค. จะไดเปนแถบสวางเสมอง. ไดเปนเสนมดเสมอ

อะตอมจะมการปลอยโฟตอน เมออเลกตรอน ตวหนงของอะตอมก. ชนกบตวอนข. เมออเลกตรอนเปลยนสถานะค. เมออเลกตรอนเปลยนสถานะไปอยใน สถานะทมระดบพลงงานต ากวาง. เมออเลกตรอนเปลยนสถานะไปอยในสถานะทมระดบพลงงานสงกวา