Рівні енергії - фізичний метод
Резюме
У цьому уроці ми розглянемо те, що називають енергетичними рівнями атома. Дійсно, кожен атом має енергію, і ми зможемо представити це на діаграмі (і одночасно робити обчислення).
Перш ніж ми почнемо, ми зробимо важливе зауваження TREEEEEEEES.
У цьому розділі ми часто говоритимемо про частоту, яка записана f (f для частоти).
Але для цього розділу книги не зазначають частоту f, але
Цей лист, який вимовляється «голий», виглядає як v, але нахилений, і в кінці ми піднімаємо ручку. Проблема в тому, що ця буква виглядає як v, і ми могли б сплутати її зі швидкістю (тим більше, що про швидкість світла ми поговоримо в цій главі ...).
Отже, навіть на уроці цілком можливо, що ваш вчитель відзначає частоту, але ми відзначимо це f (що набагато логічніше).
Однак, якщо в заяві це позначено, вам доведеться це поважати, а не писати f ... вам доведеться адаптуватися до заяви !
Після цього попереднього зауваження, давайте перейдемо до суті справи !
Діаграма енергії атома виглядає так:
Ми також можемо мати таке:
Ми вже можемо зробити кілька зауважень:
- кожна горизонтальна лінія відповідає рівню енергії. Ця енергія знаходиться в еВ (електронвольт) але в формулах, які ми побачимо пізніше, це має бути абсолютно в Джоулях !
На діаграмі ми ставимо його в еВ, щоб мати "приємні" цифри, як ви можете бачити приблизно від 0 до -20. Якби ми поїхали в Джоульс, у нас було б 10-19, що не чудово ...
Ми нагадуємо, що 1 еВ = 1,6 × 10 -19 Дж (про це не слід вчитися напам'ять, як правило, це буде згадуватися в заяві).
- інакше, найнижчий енергетичний рівень називається основним, інші рівні - збудженими. Запам’ятайте це, оскільки ім’я рівня енергії часто задається на запитаннях уроків. !
Основний стан відповідає стану, коли атом знаходиться в стані спокою.
- Ви помітили, що ці рівні мали назву: E0, E1, E2 тощо ... По-перше, знайте, що основний стан - це не обов'язково E0, цілком може бути E1 (це залежить від тверджень).
У цьому прикладі ми перейшли до E4, але ви дуже добре можете перейти до E5, E6 тощо ... ->
- існує певний рівень, який дорівнює E∞, що відповідає 0 еВ. Це називається станом іонізації (про це далі). Важливо те, що він відповідає 0 еВ, отже енергія інших рівнів ... негативна, як ви бачите на схемі !
Це пов’язано з тим, що ми розглядаємо електрони атома, які обертаються навколо ядра (докладніше див. Главу про атоми), а також негативні (про це ми поговоримо відразу після).
Однак іноді трапляється так, що ми маємо діаграму з позитивними енергіями, це не змінює розрахунки, які ми побачимо пізніше.
- нарешті, енергія атома є кількісно. Це означає, що атом може приймати лише певні конкретні значення енергії, які відповідають рівням енергії на діаграмі. Отже, у прикладі атом може мати енергію -7,2 еВ або -8,5 еВ, але не -7,8 еВ, оскільки немає рівня енергії при -7,8 еВ !
Дуже часто у контролі або в бак-програмі вас попросять пояснити, що означає кількісна оцінка енергії. Тоді вам доведеться відповісти, що енергія атома може приймати лише певну кількість значень, що відповідають рівням енергії.
Тепер, коли ми побачили всі ці характеристики, давайте поговоримо трохи про фотони, перш ніж побачити значення цієї діаграми.
Фотон - це частинка хвилі (або випромінювання). Наприклад, світло складається з фотонів.
Ці фотони мають певну енергію E, яка залежить від частоти хвилі або випромінювання (тієї, що буде зазначено f, але яка часто відзначається).
Маємо співвідношення:
які ви знайдете в книгах у вигляді:
h - постійна Планка, h = 6,63 × 10 -34 Дж. с (не знати напам'ять, це наведено у твердженні)
f - частота хвилі (в Гц)
E - енергія фотона (увагу в Джоулях . , не в еВ ...)
Цю формулу необхідно знати .
Але ми зможемо це трохи перетворити
Справді, ми бачили в главі про хвилі, що, відзначаючи c швидкість світла у вакуумі, λ довжину хвилі і T період (з T = 1/f), ми маємо:
Замінивши формулу, побачену вище, ми отримуємо:
Цю другу формулу також слід вивчити напам'ять! (навіть якщо ви можете знайти це за допомогою маленької демонстрації, яку ми щойно зробили).
У цій формулі E і h такі ж, як і раніше.
c - швидкість світла у вакуумі (3,00 × 10 8 м.с -1)
λ - довжина хвилі хвилі (у метрах).
Отже, ми маємо дві формули для енергії фотона. Щоб знати, який із них використовувати, все залежить від того, що у вас є або що ви шукаєте в заяві !
Якщо у вас частота, ви будете використовувати першу формулу. Якщо у вас довжина хвилі, ви будете використовувати другу формулу.
Крім того, якщо вас запитують про частоту, ви будете використовувати 1-ю формулу, якщо вас просять про довжину хвилі, ви будете використовувати другу формулу.
Але для чого будуть використовуватися ці фотони? ?
Енергетичні переходи
Як ми щойно побачили, фотон відповідає певній енергії. І навпаки, енергія відповідає фотону.
Ідея полягає в тому, що ми маємо електрон, який знаходиться на енергетичному рівні. Цей електрон (на діаграмах червоним кольором) зможе перейти на інший рівень, будь-який рівень (це називається переходом енергії). Цей перехід матеріалізований стрілкою:
На схемі показано 3 різні енергетичні переходи.
Зверніть увагу, що ці переходи можна здійснити на вищий енергетичний рівень (зеленим) або на нижчий (синім та оранжевим).
Щоб електрон перейшов на енергетичний рівень вище, Він повинен перемагає Енергія. Ця енергія відповідає різниці в енергії між початковим рівнем та рівнем надходження.
Отже, ця енергія, що позначається ΔE, у нашому прикладі дорівнює різниці між двома енергіями, тобто - 2,4 - (- 5) = 2,6 еВ.
Таким чином, для зеленого переходу ΔE = 2,6 еВ.
Щоб отримати позитивний результат, завжди робіть найбільшу енергію (найближчу до 0) мінус найменшу енергію.
В іншому випадку, щоб бути впевненим у позитивному результаті, ми часто ставимо a абсолютна величина не турбуючись про найбільшу енергію і найменшу.
Отже, коли електрон переходить від рівня A до рівня B (рухаючись вгору або вниз), ми маємо:
Примітка: оскільки ми приймаємо абсолютне значення, можна дуже добре сказати ΔE = | EA - EB |
Але звідки візьметься ця енергія, яку повинен набути електрон? ?
Просто фотон !
Електрон іде поглинають фотон енергії ΔE так що ви зможете перейти на наступний рівень.
Але будьте обережні ! Енергія цього фотона повинна бути ТОЧНО енергії ΔE .
У прикладі ми мали ΔE = 2,6 еВ. Якщо енергія фотона становить 2,8 еВ, взагалі нічого не станеться! Електрон буде залишатися на своєму енергетичному рівні (ви можете подумати, що це займе 2,6 еВ, а залишиться 0,2, але ні ...).
Це пов'язано з тим, що енергія квантована: електрон, спочатку перебуваючи на рівні -5 еВ, якщо він поглине фотон енергії 2,8 еВ, він опиниться на рівні -2,2 еВ, що не відповідає ... будь-якого енергетичного рівня, тому нічого не станеться ^^
Отже, ΔE переходу енергії відповідає енергії фотона, формулу якого ми бачили раніше !
Таким чином, ми маємо:
З цього ми можемо розрахувати частоту або довжину хвилі випромінювання, що відповідають фотону.
Зазвичай такі розрахунки вам доведеться робити під час вправ
Поглинання цього фотона показано на схемі наступним чином:
Цей невеликий знак означає, що для того, щоб перейти з одного рівня на інший, електрон буде поглинати фотон енергії E = hf.
І навпаки, якщо електрон переходить на нижчий рівень, а отже, і на нижчу енергію, він буде втратити Енергія. Ця енергія перетвориться на фотон: електрон буде проблема фотон і не поглинати його.
Енергія цього фотона також дорівнює різниці в енергії між двома рівнями, тому розрахунки та формули суворо однакові.
Це програма це примітка на схемі наступним чином:
Як бачите, це те саме, але цього разу стрілка йде в інший бік (нормально, оскільки це електрон, який випромінює фотон).
Як і при поглинанні, енергія випромінюваного фотона буде дорівнює різниці енергій між двома енергетичними рівнями.
Завдяки формулам це дозволить дізнатися частоту та довжину хвилі випромінюваного фотона та відповідне випромінювання.
Отже, якщо повторити:
Перехід від рівня А до рівня вищий В, електрон повинен поглинати фотон енергії ТОЧНО РІВНИЙ ΔE.
Тоді маємо ΔE = hf.
Коли він переходить від рівня А до рівня неповноцінний B, електрон йде проблема фотон енергії, що дорівнює ΔE.
Тоді маємо ΔE = hf:
Перш ніж переходити до прикладів застосування, повернімось до стану іонізації, про який ми говорили вище.
Ми побачили, що існує певний енергетичний рівень: E∞, який відповідає 0 еВ.
Йдеться про стан іонізації.
Якщо електрон досягне цього енергетичного рівня, він більше не буде пов'язаний з атомом, тому атом втратить цей електрон: він стане іоном, звідси і назва стану іонізації! (або іонізований стан).
У главі про іони ми побачили, що електрони атома поділяються на електронні оболонки.
В якості першого наближення можна сказати, що кожен енергетичний рівень відповідає електронному шару.
У першому наближенні електронні оболонки атома відповідають рівням енергії. Енергетичний перехід представлений зеленим кольором (електрон переходить з одного шару в інший, тобто з одного рівня енергії на інший
Якщо електрон прибуває на E∞, його більше не буде на електронних шарах: тому він більше не буде пов'язаний з атомом.
Якщо у вправах вас запитують, яка енергія подається атому, щоб стати іоном, це енергія, яка доходить до 0 еВ, але все залежить від розглянутого електрона.
Якщо електрон знаходиться на рівні -4,8 еВ енергії, тоді знадобиться фотон 4,8 еВ енергії, щоб дійти до 0 еВ і відірвати електрон від атома.
Примітка: зазвичай в кожній оболонці є електрони, тому МІНІМАЛЬНА енергія, яку потрібно забезпечити, необхідна для відривання електрона на оболонці, найближчої до 0 еВ.
Тепер про приклади застосування !
Ми побачимо тип класичних запитань, які ми можемо поставити вам стосовно того, що ми бачили в цій главі.
1-й приклад: Даємо енергетичну діаграму атома.
Обчисліть довжину хвилі випромінювання, що випромінюється під час проходження електрона від рівня Е4 до рівня Е2.
До якої сфери належить це випромінювання? ?
Уявіть це шоу на схемі.
Дамо константу Планка h = 6,63 × 10 -34 Дж. С, швидкість світла у вакуумі c = 3,00 × 10 8 м.с -1 та 1еВ = 1,60 × 10 -19 Дж.
Відповісти: переходячи зі стану 4 у стан 2, атом буде знезбуджений, тому він буде випромінювати фотон енергії:
Ця енергія є енергією фотона, і ми маємо:
Будьте обережні, щоб конвертувати eV в джоулі .
Щоб спростити, ми покладемо довжину хвилі в нм:
Отже, довжина хвилі випромінювання випромінюється 259 нм.
Отже, це випромінювання є в області УФ (менше 400 нм).
Ми можемо представити випромінювання цього випромінювання на діаграмі:
Основна складність полягає в обчисленні: не забувайте перетворювати енергії в Джоулях за формулою, а не в еВ .
Крім того, не забувайте, що довжина хвилі в м, але бажано помістити її в нм, щоб знати, в якій області вона знаходиться (видима, інфрачервона або ультрафіолетова).
2-й приклад: у нас завжди одна і та ж схема.
Електрон знаходиться на рівні Е1. Ми хочемо, щоб він перейшов на рівень E3.
Якою має бути частота випромінювання, поглиненого атомом, щоб здійснити такий перехід ?
Відповісти: щоб перейти від рівня E1 до рівня E3, атом повинен поглинути фотон з енергією:
Ця енергія є енергією протона, і ми маємо:
Отже, частота випромінюваного фотона (або випромінювання) становить f = 8,45 × 10 14 Гц.
Як бачите, просто застосуйте формули !
Однак будьте обережні, щоб використовувати правильну: у 1-му прикладі ми шукали довжину хвилі, тому використовували формулу з довжиною хвилі, але у 2-му прикладі шукали частоту, тому використовували формулу з частотою (логічно!).
Помітно зауважте, що дотримується кількість значущих цифр (тут результат має 3, оскільки кожен елемент даних у виписці має 3).
Ще раз, будьте обережні, щоб перетворити енергію в Джоулі !
Вправи з цієї глави доступні, натиснувши на це посилання !
22 думки про “Рівні енергії”
Привіт, я не розумію, які кроки дозволяють фотонам, випромінюваним сонячним світлом, що надходять на клітину, подавати електричний струм, не могли б ви мені допомогти ?
Дякую
Фотони мають певну енергію, клітина перетворює цю енергію в електричну.