Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 12 KNTT bài 11: Quang phổ vạch của nguyên tử

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Sau cơn mưa vào những buổi chiều mùa hè, khi ánh nắng mặt trời xuất hiện, chúng ta có thể quan sát thấy cầu vồng với bảy màu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Tại sao bức xạ của mặt trời lại tạo ra được bảy sắc cầu vồng như vậy? Bức xạ của các vật chất khác phát ra có phân tách ra được thành các màu sắc như của cầu vồng hay không?

Bài làm chi tiết:

Bức xạ của mặt trời tạo ra được bảy sắc cầu vồng vì: Theo các tiên đề Bohr, khi hấp thụ năng lượng thích hợp, nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng thấp lên trạng thái dừng có năng lượng cao. Sau đó, nguyên tử chuyển về các trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn, đồng thời phát xạ photon. Mỗi photon do nguyên tử phát xạ có bước sóng xác định tương ứng với một vạch quang phổ của nguyên tử này.

Theo đó, bức xạ mặt trời phát ra năng lượng ứng với các bước sóng của các màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím trong vùng nhìn thấy, nên tạo ra được bảy sắc cầu vồng.

Bức xạ của các vật chất khác phát ra có thể phân tách được thành các màu sắc như cầu vồng.

I. QUANG PHỔ

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.

Bài làm chi tiết:

Các màu cơ bản trên màn chắn: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

II. TRẠNG THÁI DỪNG CỦA NGUYÊN TỬ

1. Trạng thái dừng của nguyên tử

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).

Bài làm chi tiết:

Ta có: 1 eV = 1,6.10^-19 J

→ E_K = - 2,176.10^-18 (J); 

E_L = - 5,44.10^-19 (J);

E_M = - 2,416.10^-19 (J);

E_N = - 1,36.10^-19 (J);

E_O = - 8,64.10^-20 (J);

E_P = - 6,08.10^-19 (J).

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

Câu hỏi: Dựa vào Hình 11.4 hãy xác định bước sóng dài nhất của các photon có thể bị hấp thụ bởi một nguyên tử hydrogen đang ở trạng thái cơ bản.

Bài làm chi tiết:

Bước sóng dài nhất ứng với năng lượng cần thiết nhỏ nhất để hydrogen chuyển từ trạng thái cơ bản sang một trạng thái kích thích.

Theo Hình 11.4, khi chuyển từ trạng thái cơ bản (K) lên trạng thái kích thích 1 (L), năng lượng cần thiết mà photon hấp thụ có giá trị thấp nhất.

→ Bước sóng dài nhất của photon có thể bị hấơ thụ bởi một nguyên tử hydrogen ở trạng thái cơ bản là:

1,22.10^-7 (m)

III. QUANG PHỔ VẠCH CỦA NGUYÊN TỬ

1. Quang phổ vạch phả xạ

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

Bài làm chi tiết:

Khi electron của nguyên tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn, nó phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng, các vạch trong quang phổ được tạo ra từ ánh sáng được phát ra này.

2. Quang phổ vạch hấp thụ

Hoạt 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.

Bài làm chi tiết:

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

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

Bài làm chi tiết:

Vì chất khí có thể hấp thụ các bức xạ có bước sóng đúng bằng bước sóng của các bức xạ mà nó có khả năng phát ra.

Hoạt động 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 làm chi tiết:

Khi một nguyên tử hấp thụ một photon có năng lượng E, mức năng lượng chuyển từ  E₁ chuyển trạng thái sang mức năng lượng E₂. Lúc này nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, sau đó phát ra photon có năng lượng E, mức năng lượng chuyển về E₂ trở về trạng thái ban đầu.

Vì vậy bất cứ nguyên tử nào hấp thụ được photon nào đều có thể phát xạ lại photon đó.

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 khí quyển của Mặt Trời. Trong những vạch tối này người ta phát hiện một vạch ứng với bước sóng khoảng 590 nm.

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 quyền Mặt Trời có nguyên tử helium.

Bài làm chi tiết:

a) Năng lượng photon bị hấp thụ là:

3,37.10^-19 (J)

b) Theo Hình 11.7, năng lượng để helium chuyển từ trạng thái kích thích thứ 2 lên trạng thái kích thích thứ 4 là: 

= E₂ - E₄ = -1,5 + 3,63 = 2,13 (eV) ≈ 3,41.10^-19 (J)

Như vậy, năng lượng để helium chuyển từ trạng thái kích thích thứ 2 lên trạng thái kích thích thứ 4 có giá trị xấp xỉ bằng năng lượng hấp thụ photon để tạo một trong những vạch tối mà người ta phát hiện ra trong khí quyển mặt trời (ở câu a).

Vì vậy, trong khí quyển Mặt Trời có nguyên tử helium.