طیف نشری خطی هیدروژن

سلام بیازمایی‌ها امیدوارم که حالتون خوب باشه. در این شبیه ساز قراره که طیف نشری خطی رو یاد بگیریم فقط قبلش باید یه سری مباحث مهم رو بهتون بگم.

می‌دونیم که در اطراف هسته اتم، ۷ تا لایه وجود داره (تا الان هفت تا لایه بوده حالا آینده چی بشه خدا داند).

به لایه، تراز یا مدار یا سطح انرژی هم می‌گن.

هر الکترونی در تراز خاصی قرار می‌گیره. مثلا اتم هیدروژن کلا یک الکترون داره که اون الکترون در لایه اول قرار می‌گیره که این لایه برای الکترونِ هیدروژن میشه تراز پایه‌اش. اگه به الکترونی یک مقدار انرژی مشخص بدیم، از تراز خودش که بهش می‌گیم تراز پایه، به ترازهای بالاتر می‌ره که به اصطلاح می‌گیم که اون الکترون برانگیخته شده یا مُلتَهِب شده.

نکته۱: اگر انرژی داده شده به اتم، از یک حدی بیشتر باشه حتی می‌تونه باعث کنده شده الکترون از اون اتم بشه و اتم رو تبدیل به یون کنه.

نکته۲: این انرژی‌ای که به الکترون می‌دیم تا از لایه خودش به لایه بالاتر بره، باید به اندازه فاصله اون دو لایه یا اون دو تراز باشه (به زبون خودمون الکترون باید بنزین داشته باشه که این راه رو بتونه طی کنه)؛ مثلا اگه الکترون رو بخوایم از لایه دوم به سوم بفرستیم، باید به اندازه فاصله این دو لایه بهش انرژی بدیم.

حالا بریم ادامه بحث...

وقتی الکترون در تراز خودش باشه آرامش داره و آرومه اما وقتی که برانگیخته می‌شه دیگه اون آرامش اولیه رو نداره برای همین دوست داره که اون انرژی‌ای که گرفته و برانگیخته شده رو از دست بده و به خونه اصلی خودش که تراز پایه خودش هست برگرده. کل طبیعت دوست داره که آروم و پایدار باشه نه فقط الکترون‌ها و کلا طول عمر تراز برانگیخته بسیار کوتاه هستش پس الکترون‎ها تمایل دارن هرچی سریعتر انرژی‌ای که گرفتن رو از دست بدن و دوباره پایدار بشن.

وقتی الکترون به تراز خودش برمی‌گرده اون انرژی‌ای که گرفته بود و برانگیخته شده بود رو به شکل امواج الکترومغناطیس پس‌ میده.

یادآوری: امواج الکترومغناطیس، انواع مختلفی داره مثل امواج فروسرخ، نور مرئی، امواج فرابنفش و ...

چند تا نکته مهم:

الف) هر الکترون، یک حالت پایه بیشتر نداره اما می‌تونه چندتا حالت برانگیخته داشته باشه مثلا لایه اول، حالت پایه الکترونِ اتمِ هیدروژنه اما لایه‌های دوم تا هفتم، لایه‌های برانگیخته برای این الکترون هستن.

ب) انرژی و طول موج، رابطه عکس دارن. هرچی تفاوت فاصله بین دو لايه‌ یا دو ترازی که الکترون قراره طی کنه بیشتر باشه، پس انرژی بیشتری ‌‌هم باید بگیره یا پس بده چون راه طولانی‌تره. پس هر چی انرژی بیشتر باشه، طول موج مربوط به انتقال اون مسیر، كوتاه‌تر می‌شه.

سوال چالشی: تراز پایه برای الکترون شماره شش از اتم نیتروژن کدام تراز است؟

خب حالا طیف خطی نشری چیه؟

اگه ماده‌ای در فاز گازی (یا در حالت گازی) باشه و به اون ماده انرژی داده بشه، الکترون‌های اون گاز، برانگیخته (یا ملتهب) میشن؛ وقتی این الکترون‌ها به تراز پایه خودشون برگردن، از خودشون می‌تونن نور ساطع کنن (تابش کنن) یعنی اون انرژی‌ای که گرفتن و رفتن به لایه‌های بالا رو به شکل نور پس می‌دن (که نور هم موج الکترومغناطیس هستش). اگر این نورهای ساطع شده رو از منشور عبور بدیم، طیف نشری خطی مشاهده می‌شه یعنی منشور نور رو تجزیه می‌کنه و به خط‌هایی تقسیم می‌کنه که همون طیف نشری خطی هستش. هر خط یک طول موج خاص رو نشون میده. طیفی نشری خطی هیچ دو عنصری مشابه هم نیست و هر عنصری طیف نشری خطی مخصوص به خودش رو داره (مثل اثر انگشت) که از این ویژگی برای شناسایی عنصرها استفاده میشه. به طیف نشری خطی، طیف گسیلی ناپیوسته یا طیف اتمی هم می‌گن‌.

بیشتر بدانید۱: اگه بخوایم علمی‌تر صحبت کنیم، وقتی الکترون‌ها به تراز پایه خودشون برگردن، از خودشون می‌تونن فُوتُون تابش کنن (ساطع کنن) یعنی اون انرژ‌ی‌ای که گرفتن و رفتن به لایه‌های بالا رو به شکل فُوتُون پس می‌دن. فُوتُون‌ها، بسته‌های بسیار ریز انرژی‌ان؛ فوتون‌ها ذراتی بدون جرم و بار هستن و ذراتی هستن که بر موج سوار هستن، در اصل امواج الکترومغناطیس از فوُتوُن‌ تشکیل شده یعنی فُوتُون‌ها، کوچکترین واحد تقسیم ناپذیر نور هستن.

بیشتر بدانید۲: اصلا بعضی عنصرها مثل هلیوم، تالیم و سزیم با روش‌های طیف‌سنجی شناسایی و کشف شدن.

بیشتر بدانید۳: نیلز بور کسی بود که با مطالعه طیف نشری خطی هیدروژن مهمترین نظریه اتمی را در مورد ساختار اتم ارائه داد.

بیشتر بدانید۴: گفتیم که در طیف نشری خطی، به یک ماده‌ای انرژی می‌دیم و الکترون‌هاش ملتهب میشن، روش‌هایی برای برانگیختن اتم یا مولکول‌های مواد در طیف نشری خطی وجود داره:

1. آ) نمک‌ها رو بیشتر در معرض شعله قرار می دن (طیف شعله).
2. ب) مواد گازی را تخلیه الکتریکی میکنن (طیف تخلیه).
3. پ) فلزات و مواد جامد را گرما می‌دن تا ملتهب بشن (طیف جسم ملتهب).
4. ت) فلزات قلیایی ( فلزات گروه اول جدول) و قلیایی خاکی (فلزات گروه دوم جدول) رو در مجاورت گرمای حاصل از کمان الکتریکی قرار می‌دن (طیف جرقه).

نحوه کار با شبیه ساز

برای شروع کلیک کنید.

در سمت چپ شبیه ساز در بخش مدارها، لایه‌های الکترونی برای شما نمایش داده شده. در سمت راست، اتم‌ای می‌‌بینین که در اطراف هسته خودش، شش تا لایه یا تراز الکترونی یا سطح انرژی‌اش رو گذاشتن و در تراز اول، فقط یک الکترون داره پس این اتم هیدروژنه (البته می‌تون یون‌ای باشه که یک الکترون داره مثلا لیتیم دوبار مثبت)!

در پایینِ ترازها، نوشته شده رفتن به سطح انرژی و شش تا شماره براتون گذاشته شده.

بیایید با هم شروع کنیم و از سطح انرژی ۱ به ۲ بریم. وقتی شماره ۲ رو بزنید، الکترون‌ای که در سطح انرژی ۱ هست، مقداری انرژی می‌گیره و به سطح ۲ می‌ره. دوباره وقتی عدد ۱ رو بزنید، همین الکترون که در سطح انرژی ۲ قرار داره، به سطح انرژی ۱ برمی‌گرده در پایین صفحه، در کادر خالی کنار اون شماره‌ها، مقدار انرژی‌ای که لازمه تا الکترون از دست بده و از تراز یا سطح انرژی شماره ۲ به ۱ برگرده رو نشون میده؛ همچنین، طول موج مربوط به این انتقال رو هم می‌نویسه یعنی بهمون میگه که اون انرژی‌ای الکترون پس داده، نوعی موج بوده و طول این موج چقدره!

توجه۱: وقتی الکترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر برمی‌گرده مقداری انرژی تابش یا گسیل می‌کنه (یعنی انرژی پس می‌ده) که ممکنه این انرژی رو به شکل‌های مختلفی پس بده مثل: امواج فرابنفش، نور مرئی، امواج فروسرخ و ...

مثلا برای اتم هیدروژن وقتی با شبیه ساز ۲ به ۱ رو بزنید، یک فلش خاکستری آزاد می‌شه که یعنی در برگشت الکترون از تراز ۲ به ۱ مقداری انرژی فرابنفش آزاد میشه که چون نور فرابنفش برای ما قابل دیدن نیست، فلش، خاکستری میشه.

نکته۳: انرژی، واحد‌های مختلف داره که یکی از اون واحدها، الکترون وُلت هستش که با نماد eV نشون می‌دن.پس اون eV جلوی انرژی، واحدش رو نشون می‌ده.

نکته۴: طول، واحد‌های مختلف داره که یکی از اون واحدها، نانومتر هستش که با نماد nm نشون می‌دن.پس اون nm جلوی طول موج، واحدش رو نشون می‌ده.

حالا عدد شماره ۳ رو بزنید، الکترون‌ای که در سطح انرژی ۲ بود، مقداری انرژی می‌گیره و به سطح ۳ می‌ره. دوباره در پایین صفحه، در کادر خالی کنار اون شماره‌ها، مقدار انرژی‌ای که لازمه تا الکترون از تراز یا سطح انرژی شماره ۲ به ۳ بره و طول موج مربوط به این انتقال رو نشون میده.

سوال چالشی: انرژی برای انتقال ۲ به ۱ از ۳ به ۲ بیشتر بود نه؟!!

علتش اینه که در واقعیت، فاصله لایه ۱ تا ۲ از لایه ۲ تا ۳ بیشتره و الکترون برای جابه‌جایی باید راه بیشتری طی کنه. هرچی از هسته دور می‌شیم فاصله لایه‌ها کم‌تر میشه.

سوال چالشی: چرا طول موج انتقال ۱ به ۲ از ۲ به ۳ کمتره؟!!

علتش اینه که در واقعیت، فاصله لایه ۱ تا ۲ از لایه ۲ تا ۳ بیشتره و الکترون برای جابه‌جایی باید راه بیشتری طی کنه و این یعنی انرژی بیشتر؛ از طرفی انرژی با طول موج رابطه عکس داره یعنی هرچی انرژی بیشتر، طول موج کوتاه‌تر (مثل یه فنر فشرده که انرژی بیشتری تو خودش جمع کرده).

حالا بریم سراغ شیمی دهم صفحه ۲۷....

آقای بالمِر اومد کشف کرد که اگه الکترون‌ هیدروژن از لایه‌های دیگه به سطح انرژی دوم برگرده، از خودش نوری تابش می‌کنه که برای ما قابل دیدنه یعنی در اتم هیدروژن، بازگشت الکترون به تراز دوم، در ناحیه مرئی می‌افته. که به سِری بالمر مشهور شده.

حالا از شبیه ساز ببینید که وقتی الکترون از لایه‌های بالاتر به سطح ۲ (لایه ۲) بیاد، باعث میشه چه رنگی در طیف خطی ظاهر بشه.

از قسمت پایین صفحه (در سمت راست شبیه ساز) از شماره ۳ برید به ۲ و به جابه‌جایی الکترون در لایه‌ها دقت کنید، می‌بینید:

1. وقتی الکترون از لایه ۳ به ۲ می‌ره یه نور کوچولو قرمز پس میده (به شکل یه فلش کوچولو) که طول موج این انتقال ۶۵۶ نانومتر هستش. این انتقال در سری بالمر، چون انرژی کمی الکترون باید پس بده تا از ۳ به ۲ بیاد، پس طول موج بیشتر نسبت به بقیه داره.
2. وقتی الکترون از ۴ به ۲ می‌ره یه نور کوچولو آبی پس میده که طول موج این انتقال ۴۸۶ نانومتر هستش.
3. وقتی الکترون از ۵ به ۲ می‌ره یه نور کوچولو نیلی پس میده که طول موج این انتقال ۴۳۴ نانومتر هستش.
4. وقتی الکترون از ۶ به ۲ می‌ره یه نور کوچولو بنفش پس میده که طول موج این انتقال ۴۱۰ نانومتر هستش. این انتقال در سری بالمر، چون انرژی زیادی الکترون باید پس بده. تا از ۶ به ۲ بیاد، پس طول موج کمتر نسبت به بقیه داره.

توجه۲: با یه مقایسه کوچیک می‌تونید ببینید که طول موج انتقال ۳ به ۲ از ۶ به ۲ بیشتره چون ۳ به ۲ مسیر کمتری از ۶ به ۲ هستش و انرژی کمتری الکترون باید پس بده تا از ۳ بیاد به سمت ۲ و هرچی انرژی کمتر، طول موج بیشتر.

حالا به سمت راست شبیه ساز نگاه کنید، عکس کتاب دقیقا برای شما گذاشته شده، به اون نوار مشکی که چهار تا خطی رنگی داره دقت کنید. به اون نوار می‌گن طیف نشری خطی اتم هیدروژن (این همه گفتیم که به این برسیم فقط🙂)

حالا دیگه خودتون می‌تونید متوجه بشید اون خط‌های رنگی روی نوار چیه (امیدوارم...).

برای بار هزارم:)

1. طیف بنفش: انتقال ۶ به ۲
2. طیف نیلی: انتقال ۵ به ۲
3. طیف آبی: انتقال ۴ به ۲
4. طیف قرمز: انقال ۳ به ۲

حالا به قسمت چپ شبیه ساز اون بالا نگاه کنید، تیک جریان رو فعال کنید. این بخش، شبیه سازی از تحقیقات علمی در دنیای واقعی نشون میده که چطوری به هیدروژن، انرژی می‌تابونَن.

خب همونطوری که می‌بینید (بالای شبیه ساز، سمت راست)، با یک منبع جریان ولتاژ زیادی به یک لوله (که بهش میگن لامپ تخلیه الکتریکی) بدیم، الکترون‌های اتم‌های هیدروژن داخل لامپ، برانگیخته می‌شن و میرن به لایه‌های بالاتر و موقع برگشت به تراز پایه‌، نور نشر می‌کنن (نور پس میدن). این نور از یک شکاف عبور می‌کنه و با عبور از منشور تفکیک میشه و توسط آشکارساز به صورت خط‌هایی روی صفحه عکاسی ظاهر میشه. این خط‌ها بعضیاشون خط رنگی هستن که الان می‌دونید چرا رنگی‌ان. (برای هیدروژن اون انتقال‌هایی که الکترون به لایه یا تراز 2 برگشته، خط رنگی می‌ده).

توجه۳: خطوطی که به ترازهای دیگه غیر از ۲ برگشته باشن رنگ ندارن برای همینه که بیشتر نوار، تیره هستش!

حالا همزمان که تیک جریان رو فعال کردید، به مدارها هم دقت کنید که مثل یک فیلم انتقال‌های الکترون رو داره نشون می‌ده.

سوال:طول موج مربوط به انتقال ۵ به ۲ و ۴ به ۲ را مقایسه کنید.

سوال:چرا انتقال الکترونی ۳ به ۴ از ۵ به ۶، انرژی بیشتری می‌خواهد؟