يتم دراسة مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين و الإنتقالات بين الإلكترونات. و هذه الإنتقالات سوف تؤدي إلى طيف انبعاث أو امتصاص و السؤال الأهم هو مما يتكون طيف الانبعاث الذري للهيدروجين.
ما هو الطيف
الطيف هو ضوء صادر أو ممتص من المادة نتيجة إنتقالها من مستوى إثارة عالى إلى مستوى إثارة أقل. فقد يكون صادر من الذرة ككل هي التي تنتقل من مستوى طاقة (تذبذب) لأخر مثل إشعاع الجسم الأسود أو قد تكون بسبب انتقال ألكترونات الذرة وفي هذه الحالة يسمى الطيف الذري أو الخطي.
الطيف الخطي
أولا ما معنى الطيف الخطي لذرة الهيدروجين وكيف ينشأ؟ يمكن أن ينتقل الإلكترون من المستوى الثاني n=2 إلى المستوى الأول n=1 أو المستوى الثالث إلى المستوى الأول و هكذا. هذه الانتقالات يصاحبها إمتصاص أو انطلاق طاقة وهذه الطاقة في صورة ضوء (طيف). وهي انتقالات كثيرة ويمكن تقسيمها إلى مجموعة اقسام كل قسم يسمى سلسلة أو متسلسلة من سلاسل الطيف ويتضح من هذا المثال معنى كلمة سلسلة او متسلسلة فهو ليس خطا ً طيفا واحدا ولكنه مجموعة من الخطوط. وأخيرا سوف يتم التركيز على الطيف الخطي الصادر من عنصر الهيدروجين على أساس انه أبسط العناصر.
وهذه السلاسل تتضح عند تحليل الطيف الناتج من الهيدروجين الذري المثار. فالطيف الخطي لذرة الهيدروجين هو الاشعاع الناتج أو الممتص نتيجة انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين. و لمعرفة كيف يحدث ذلك لابد أولا من دراسة مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين أي مقدار طاقة كل مستوى. و تحديد الانتقالات الممكنة بين مستويات الطاقة و تقسيمها إلى سلاسل.
مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين
طاقة المستويات في ذرة الهيدروجين يمكن كتابتها بهذه الصورة
حيث ان n رقم المستوى. ونجد أن الاشارة السالبة تشير إلى أن الالكترون في هذا المستوى يكون مرتبطا بالنواة. و يتضح انه كلما زاد رقم المستوى أي ابتعدنا عن النواة سوف تقل الطاقة اللازمة لتحرير الألكترون. و أيضا يقل فرق الطاقة بين المستويات.
طاقة المستوى الأول لذرة الهيدروجين تساوي
و بالنسبة إلى السالب فهي تعني أن الإلكترون مقيد بطاقة قدرها 13.6 إلكترون فولت. بعبارة أخرى يحتاج إلكترون هذا المستوى 13.6 الكترون فولت للتحرر من الذرة. و تحول وحدة الألكترون فولت إلى جول بضربها في شحنة الإلكترون
1.6×10-19C
طاقة المستوى الثاني لذرة الهيدروجين تساوي
الألكترون مقيد بطاقة قدرها 3.4 إلكترون فولت. بعبارة اخرى يحتاج الإلكترون هذا المستوى 3.4 الكترون فولت للتحرر من الذرة.
طاقة المستوى الثالث لذرة الهيدروجين تساوي
الألكترون مقيد بطاقة قدرها 1.5111 إلكترون فولت. بعبارة اخرى يحتاج الإلكترون هذا المستوى 1.5111 الكترون فولت للتحرر من الذرة.
و هكذا و يمكن للألكترونات الأنتقال بين مستويات الطاقة.
انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة
عند انتقال الإلكترون من مستوى أقل إلى مستوى أعلى فإنه يلزم طاقة لمثل هذا الانتقال وهذة الطاقة تساوي فرق الطاقة بين المستويين للحفاظ على قانون حفظ الطاقة. و هذه الطاقة الممتصة تكون في صورة ضوء أي فوتون ويطلق علية في هذة الحالة طيف امتصاص.
و عند انتقال الإلكترون من مستوى اعلى الى مستوى اقل فانه سوف يبعث فرق الطاقة بين المستويين في صورة ضوء و الذي سوف يسمى بطيف الانبعاث. وبالطبع طاقة طيف الامتصاص بتساوي طاقة طيف الانبعاث إذا كان الالكترون ينتقل بين نفس المستويات.
طيف الانبعاث لذرة الهيدروجين
طالما انه طيف انبعاث ذلك يعني أن الالكترون ينتقل من المستوى الأعلى إلى المستوى الأقل ويمكن للذرة أن تكون مثارة في أي مستوى وعندما يعود الالكترون فإنه يجد أمامه مجموعة من الإختيارات فربما يعود إلى المستوى الاول أو يعود إلى المستوى الثاني أو الثالث وهكذا. وبالتالي تم تقسيم الطيف الخطي لذرة الهيدروجين على أساس المستوى الذي سيعود إليه الإلكترون.
يتكون طيف الانبعاث الذري للهيدروجين من
مجموعة من السلاسل وهم
- ١/ سلسلة ليمان: ينتقل الالكترون من المستويات العليا إلى المستوى الاول : تقع في منطقة الأشعة فوق البنفسجية
- ٢/ سلسلة بالمر: ينتقل الالكترون من المستويات العليا إلى المستوى الثاني : تقع في منطقة الضوء المرئي
- ٣/ سلسلة باشن: ينتقل الالكترون من المستويات العليا إلى المستوى الرابع : تقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء
- ٤/ سلسلة براكت: ينتقل الالكترون من المستويات العليا إلى المستوى الرابع : تقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء
- ٥/ منطقة فوند: ينتقل الالكترون من المستويات العليا إلى المستوى الخامس : تقع في أقصى منطقة الأشعة تحت الحمراء
سلاسل طيف ذرة الهيدروجين
ويتضح من الانتقالات أن الأعلى في الطاقة هي سلسلة ليمان وأقلها فوند. وإذا تحدثنا عن الأطوال الموجية فإنه سيكون العكس فإن سلسلة فوند ستكون الأكبر في الأطوال الموجية. ونجد أن بداخل كل سلسلة من هذه السلاسل
الاطياف الخطية داخل كل سلسلة
فمثلا سلسلة بالمر تتكون من عدد كبير من خطوط الطيف أكبر من حيث الطاقة (التردد) يمثل الانتقال من المستوى اللانهائي إلى المستوى الثاني و أقلهم يمثل الانتقال من المستوى الثالث إلى المستوى الثاني. وتنحصر السلسلة بين هذين الخطين. و يمكن حساب تردد الفوتون الناتج من كل انتقال عبر هذه العلاقة
طيف ذرة الهيدروجين pdf
تم الشرح باستفاضه في هذا الفيديو .
امتحان تقويمي اختبار على الأطياف الذرية
دروس الفصل السادس (الأطياف الذرية)
رائع
بالتوفيق دكتورة منى