Модель атома Бора установила существование положительного ядра, окруженного электронами на определенных энергетических уровнях. Когда электроны перемещаются с более высоких энергетических уровней на более низкие энергетические уровни, энергия в атоме высвобождается в виде фотонов. Узнайте о модели Бора, атомных спектрах и о том, как электроны излучают разные цвета света.
Модель Бора и атомные спектры
Представьте, что это праздник, и вы находитесь на улице ночью, наслаждаясь красивым фейерверком. Они взрываются всеми видами ярких цветов: красным, зеленым, синим, желтым и белым. Позже вы идете домой и проходите мимо рекламной вывески. Одна из лампочек излучает синий свет, а другая ярко-красный свет. Что производит все эти разные цвета света? Что за это отвечает? Ответ - электроны. Знаете ли вы, что именно электронная структура атомов вызывает эти разные цвета?
Цвета радуги перечислены в порядке возрастания энергии.
Атом водорода
Мы собираемся начать этот урок, сосредоточившись только на атоме водорода, потому что это простой атом с очень простой электронной структурой. Он имеет только один электрон, который находится на 1s - орбитали. Напомним из предыдущего урока, что 1 s означает, что его главное квантовое число равно 1. Это означает, что он находится на первом и самом низком энергетическом уровне , и, поскольку он находится на s- орбитали, он будет находиться в области, имеющей форму сфера, окружающая ядро.
Все, на чем мы собираемся сосредоточиться в этом уроке, — это уровень энергии, или 1 (иногда пишется как n = 1). Этот маленький электрон находится на самом низком энергетическом уровне, называемом основным состоянием , что означает, что он имеет самую низкую возможную энергию. Когда вы записываете электронные конфигурации атомов, вы записываете их в их основном состоянии.
Итак, если этот электрон сейчас находится в основном состоянии, может ли он быть найден в другом состоянии? Абсолютно. Если этот электрон возбудится, он может перейти на второй, третий или даже более высокий энергетический уровень. Но что заставляет этот электрон возбуждаться? Добавление энергии к электрону заставит его возбудиться и перейти на более высокий энергетический уровень. Чем больше энергии добавляется к атому, тем дальше улетает электрон. В следующем уроке мы обсудим, что происходит с электроном, если добавить слишком много энергии.
Энергия может быть добавлена к электрону несколькими способами: в виде тепла в случае фейерверков или электричества в случае неоновых огней. Когда эти формы энергии добавляются к атомам, их электроны берут эту энергию и используют ее для перемещения на внешние энергетические уровни, расположенные дальше от ядра.
Модель Резерфорда показывает, что электроны расположены случайным образом вокруг ядра.
Эти электроны не могут вечно оставаться вдали от ядра на этих высоких энергетических уровнях. В конце концов, электроны упадут обратно на более низкие энергетические уровни. Если электроны переходят из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое, куда девается вся эта дополнительная энергия? Энергия не исчезает просто так.
Когда электроны переходят с высокоэнергетической орбитали на низкоэнергетическую орбиталь, разница в энергии высвобождается из атома в виде фотона. Фотон . — это невесомая частица электромагнитного излучения Электромагнитное излучение проявляется во многих формах: тепло, свет, ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи — вот лишь некоторые из них. Наиболее важной особенностью этого фотона является то, что чем больший переход совершает электрон, чтобы произвести его, тем выше будет энергия фотона.
Здесь все становится интереснее.
Фотоны с высокой энергией будут выглядеть как цвета с более высокой энергией: пурпурный, синий и зеленый, тогда как фотоны с более низкой энергией будут восприниматься как цвета с более низкой энергией, такие как красный, оранжевый и желтый. Помните эти цвета радуги - красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый? Они перечислены в порядке возрастания энергии. По сути, каждый переход, который совершает этот водородный электрон, будет соответствовать различному количеству энергии и различному цвету, который высвобождается. Это называется его атомным спектром .
Модель Бора
Модель Бора показывает, что электроны находятся на определенных энергетических уровнях.
Итак, кто это обнаружил? В начале 1900-х парень по имени Нильс Бор проводил исследования атома и представил резерфордовскую модель атома, которая, как вы, возможно, помните, изображает атом как имеющий маленькое положительно заряженное ядро в центре, окруженное своего рода случайно расположенная группа электронов. Во время исследования структуры атома Бор обнаружил, что по мере того, как атомы водорода возбуждаются, а затем выделяют энергию, излучается только три различных цвета видимого света: красный, голубовато-зеленый и фиолетовый. Если бы электроны были расположены случайно, как он первоначально полагал, основываясь на опытах Резерфорда, то они были бы способны поглощать и выделять энергию случайных цветов света. Его вывод заключался в том, что электроны расположены не случайно. Вместо этого они расположены в очень специфических местах, которые мы теперь называем энергетическими уровнями.
Это привело к созданию модели атома Бора, в которой маленькое положительное ядро окружено электронами, расположенными на очень специфических энергетических уровнях. Например, всякий раз, когда электрон водорода переходит с пятого энергетического уровня на второй энергетический уровень, он всегда испускает фиолетовый свет с длиной волны 434,1 нанометра. Длина волны - это всего лишь численный способ измерения цвета света. Кроме того, всякий раз, когда электрон водорода опускался только с третьего энергетического уровня на второй энергетический уровень, он испускал очень низкоэнергетический красный свет с длиной волны 656,3 нанометра.
Эти открытия были настолько значительными, что представление об атоме полностью изменилось. То, что когда-то считалось почти случайным распределением электронов, превратилось в идею о том, что электроны находятся только в определенных местах, где их можно найти. Именно здесь зародилась идея электронных конфигураций и квантовых чисел.
Много электронных атомов
Теперь мы знаем, что когда электроны водорода возбуждаются, они будут излучать очень специфические цвета в зависимости от количества энергии, которое теряется каждым из них. Это также происходит в элементах с атомами, имеющими несколько электронов. Однако, поскольку каждый элемент имеет разную электронную конфигурацию и немного иную структуру, цвета, которые испускает каждый элемент, будут разными. Каждый элемент будет иметь свой собственный отчетливый цвет, когда его электроны возбуждаются, или свой собственный атомный спектр. Вот что вызывает разные цвета фейерверков! Например, при сжигании меди образуется голубовато-зеленоватое пламя. Когда натрий сгорает, он образует желтовато-золотистое пламя. Когда магний сгорает, он высвобождает фотоны с такой высокой энергией, что они поднимаются выше фиолетового и испускают ультрафиолетовое пламя. Вы бы не захотели смотреть прямо на это!
Когда неоновые лампы подпитываются электричеством, каждый элемент также будет излучать свет разного цвета. На самом деле, термин "неоновый" свет относится просто к красным огням. Синий свет вырабатывается электрифицированным аргоном, а оранжевый свет на самом деле вырабатывается электрифицированным гелием. Эти атомные спектры почти как отпечатки пальцев элементов. Цвет, который излучает вещество при возбуждении его электронов, может быть использован для определения того, какие элементы присутствуют в данном образце. Ученые используют эти атомные спектры, чтобы определить, какие элементы горят на звездах в далеком космическом пространстве.
Краткое содержание урока
Я надеюсь, что этот урок прольет некоторый свет на то, за что отвечают эти маленькие электроны! Для меня это один из самых интересных аспектов атома, и когда дело доходит до источника света, это действительно простой процесс. Во-первых, энергия поглощается атомом в виде тепла, света, электричества и т.д. Во-вторых, электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Они приходят в восторг. В-третьих, электроны падают обратно на более низкие энергетические уровни. Они не могут вечно оставаться взволнованными! Наконец, энергия высвобождается из атома в виде фотона.