Bài 11: Quang Phổ Vạch Của Nguyên Tử | Chuyên đề học tập Vật lí 12 | Chuyên đề 3: Vật Lí Lượng Tử - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Trang 59

I. QUANG PHỔ

Ánh sáng trắng gồm một tập hợp các bức xạ điện từ có bước sóng từ khoảng 3,8.10

Hình 11.1. Minh hoạ sự tán sắc ánh sáng trắng qua lăng kính thuỷ tinh

Tấm chắn có khe hẹp

Ánh sáng tán sắc qua lăng kính 

Đèn

Lăng kính thuỷ tinh

Màn chắn

Dải sáng màu thu được trên màn chắn

Câu hỏi

Hãy quan sát Hình 11.1 và liệt kê các màu cơ bản trên màn chắn theo thứ tự từ trên xuống dưới.

EM CÓ BIẾT?

Cách tử nhiễu xạ (là một tấm chứa các khe hẹp song song) cũng được dùng để tán sắc ánh sáng. Trong các máy phân tích quang phổ người ta thường sử dụng cách tử nhiễu xạ (Hình 11.2).

Hình 11.2. Minh hoạ sự tán sắc ánh sáng trắng qua cách từ nhiễu xạ

Ánh sáng trắng

Cách tử nhiễu xạ

Màn chắn

Trang 60

Ta đã biết chiết suất của lăng kính đối với mỗi ánh sáng đơn sắc là khác nhau. Vì vậy, mỗi lần đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường ở hai mặt bên của lăng kính, chùm sáng ban đầu sẽ tách thành các chùm sáng đơn sắc theo các phương khác nhau. Quang phổ thu được trên màn chắn là các dải màu ứng với các ánh sáng đơn sắc đó.

Mọi chất khi được nung nóng đều có thể phát ra ánh sáng nhìn thấy. Quang phổ của ánh sáng do các chất đó phát ra gọi là quang phổ phát xạ. Quang phổ phát xạ của các chất có thể chia thành hai loại chính: quang phổ liên tục và quang phổ vạch phát xạ.

Quang phổ liên tục là một dải màu nối liền nhau một cách liên tục (Hình 11.3). Quang phổ liên tục do các chất khí có áp suất lớn, chất lỏng hoặc chất rắn, phát ra khi bị nung nóng.

Hình 11.3. Quang phổ liên tục của một chùm ánh sáng trắng phát ra từ bóng đèn sợi đốt

380 nm 445 nm 475 nm 510 nm 570 nm 590 nm 650 nm 760 nm

Màu: Tím Chàm Lam Lục Vàng Cam Đỏ Bước sóng

II. TRẠNG THÁI DỪNG CỦA NGUYÊN TỬ

Các mô hình vật lí giải thích cho cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân hiện nay được xây dựng từ những ý tưởng ban đầu của Niels Henrik David Bohr (Nây Hen-rích Đa-vít Bo) về lượng tử năng lượng và trạng thái dừng.

1. Trạng thái dừng của nguyên tử

Năng lượng của nguyên tử cũng chính là năng lượng của electron trong nguyên tử.

Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định gọi là trạng thái dừng. Ở trạng thái dừng, nguyên tử không phát xạ hay hấp thụ năng lượng.

Trạng thái cơ bản là trạng thái dừng mà nguyên tử có năng lượng thấp nhất. Trạng thái kích thích là trạng thái dừng mà nguyên tử có năng lượng cao hơn. Thường thì nguyên tử tồn tại ở trạng thái kích thích trong thời gian rất ngắn (cỡ 10 s) sau đó sẽ chuyển về trạng thái dùng có năng lượng thấp hơn và cuối cùng về trạng thái cơ bản.

Mức năng lượng của nguyên tử là rất nhỏ nên người ta thường dùng đơn vị năng lượng là electron vốn (eV):

1 eV = 1,6.10

Hình 11.4. Một số mức năng lượng có thể của nguyên tử hydrogen

Câu hỏi

Hãy đổi giá trị các mức năng lượng của electron trong nguyên tử hydrogen trong Hình 11.4 sang đơn vị jun (J).

Trang 61

EM CÓ BIẾT?

Mô hình hành tinh nguyên tử

Năm 1911, Rutherford, nhà vật lí người New Zealand đưa ra mô hình hành tinh nguyên tử: Nguyên tử có cấu tạo rỗng, tâm nguyên tử là hạt nhân chiếm thể tích nhỏ, mang hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử và có điện tích dương bằng +Ze. Các electron chuyển động quanh hạt nhân giống như các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời. Mô hình nguyên tử của Rutherford đã thành công trong việc giải thích được một số quá trình tán xạ hạt nhân nhưng không giải thích được tính bền vững của nguyên tử và sự xuất hiện quang phổ vạch của nguyên tử.

Năm 1913, nhà vật lí người Đan Mạch là Bohr đã phát triển mô hình hành tinh nguyên tử dựa trên quan điểm lượng tử của Plank và Einstein. Mô hình này có thể giải thích được sự hình thành quang phổ vạch của nguyên tử hydrogen.

2. Cơ chế hấp thụ và phát xạ năng lượng của nguyên tử

Câu hỏi

Nguyên tử chỉ hấp thụ hay phát xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ khi nó chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dùng khác.

Nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng sang trạng thái dừng có năng lượng Em thấp hơn thì nguyên tử phát xạ một photon có năng lượng đúng bằng hiệu .

(11.1)

Ngược lại nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng

III. QUANG PHỔ VẠCH CỦA NGUYÊN TỬ

1. Quang phổ vạch phát xạ

Quang phổ vạch phát xạ là quang phổ gồm một hệ thống những vạch màu riêng rẽ được ngăn cách với nhau bởi những khoảng tối (Hình 11.5a).

Quang phổ vạch phát xạ do chất khí có áp suất thấp khi ở trạng thái kích thích phát ra. Quang phổ vạch phát xạ của các nguyên tố khác nhau sẽ khác nhau về số lượng các vạch, về vị trí các vạch (hay về bước sóng) và độ sáng của vạch này so với vạch kia trong cùng một quang phổ.

Dựa vào cơ chế bức xạ năng lượng của nguyên tử, hãy giải thích sự tạo thành quang phổ vạch phát xạ.

2. Quang phổ vạch hấp thụ

Chiếu một chùm ánh sáng trắng phát ra từ bóng đèn sợi đốt qua một bình thuỷ tinh chứa chất khí hoặc hơi kim loại, đến máy phân tích quang phổ ta sẽ thu được quang phổ vạch hấp

Trang 62

thụ của chất khí hoặc hơi kim loại nói trên. Quang phổ vạch hấp thụ gồm các vạch tối trên nền quang phổ liên tục của ánh sáng trắng.

Các chất khí hoặc hơi kim loại đều có thể cho quang phổ vạch hấp thụ.

Hình 11.5. Các vạch màu trong quang phổ vạch phát xạ (a) và các vạch tối trong quang phổ vạch hấp thụ (b) của nguyên tử hydrogen có sự trùng khớp về vị trí

Bước sóng λ (nm)

Bước sóng λ (nm)

Khi so sánh quang phổ vạch phát xạ và quang phổ vạch hấp thụ của cùng một nguyên tử có sự trùng khớp về vị trí các vạch tương ứng của chúng.

Khởi động

1. Hãy so sánh quang phổ vạch phát xạ và quang phổ vạch hấp thụ của nguyên tử hydrogen thu được trong Hình 11.5.

2. Giải thích tại sao có sự trùng khớp của vị trí các vạch trong Hình 11.5a và 11.5b.

3. Hãy chứng tỏ rằng, một nguyên tử có thể hấp thụ những photon tương ứng với ánh sáng đơn sắc có bước sóng nào thì khi bức xạ nó cũng có thể phát ra những photon có bước sóng như vậy.

Bài tập ví dụ

Hãy xác định bước sóng của photon phát ra khi nguyên tử hydrogen chuyển từ trạng thái có mức năng lượng

Giải:

Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái có mức năng lượng về trạng thái có mức năng lượng , nguyên tử hydrogen sẽ phát ra bức xạ có năng lượng

Bước sóng của photon phát ra có giá trị bằng

So sánh với quang phổ phát xạ của khí hydrogen trong Hình 11.5 ta thấy bước sóng tính được ứng với vạch màu đỏ trong quang phổ trên. Kết quả tính trên có sai số rất nhỏ so với vạch quang phổ trong Hình 11.5 do có một số hằng số được làm tròn.

Trang 63

Câu hỏi

Quang phổ vạch hấp thụ của ánh sáng mặt trời có các vạch tối (Hình 11.6). Những vạch tối này là do sự hấp thụ các photon nhất định bởi các khí có nhiệt độ thấp hơn trong bầu khí quyển của Mặt Trời. Trong những vạch tối này người ta phát hiện một vạch ứng với bước sóng khoảng 590 nm.

Hình 11.6. Quang phổ của ánh sáng mặt trời gồm những vạch tối

a) Tính năng lượng photon bị hấp thụ ứng với vạch trên.

b) Từ Hình 11.7, hãy giải thích cho nhận định rằng trong khí quyển Mặt Trời có nguyên tử helium. (Trích nguồn: Basu, S; Antia, H.M. (2008), "Helioseismology and Solar Abundances", Physics Reports, 457 (5-6): 217-283)

Hình 11.7. Một số mức năng lượng của nguyên tử helium

EM CÓ BIẾT?
.
Mỗi nguyên tố khác nhau sẽ cho quang phổ vạch khác nhau. Phân tích quang phổ của các mẫu vật hay khoáng chất sẽ giúp chúng ta xác định thành phần hoá học của mẫu vật hay khoáng chất đó.

EM ĐÃ HỌC

• Sự phân tách ánh sáng trắng thành các thành phần đơn sắc được gọi là tán sắc ánh sáng.

• Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định gọi là trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ hay hấp thụ năng lượng. Nguyên tử chỉ hấp thụ hay bức xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ khi nó chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác.

• Quang phổ vạch phát xạ là quang phổ gồm một hệ thống những vạch màu riêng rẽ được ngăn cách với nhau bởi những khoảng tối. Quang phổ vạch phát xạ do chất khí có áp suất thấp khi ở trạng thái kích thích phát ra.

• Quang phổ vạch hấp thụ gồm các vạch tối trên nền quang phổ liên tục của ánh sáng trắng. Chất khí hoặc hơi kim loại đều có thể cho quang phổ vạch hấp thụ.

• Một nguyên tử có thể hấp thụ những photon tương ứng với ánh sáng đơn sắc có bước sóng nào thì khi bức xạ nó cũng có thể phát ra những photon có bước sóng như vậy.

EM CÓ THỂ

• Giải thích được sự hình thành của các vạch quang phổ.

• Tính được bước sóng của vạch quang phổ của một nguyên tố khi biết được các mức năng lượng của electron trong nguyên tử của nguyên tố đó.