أسئلة: الأطياف الذرية

الإجابة الصحيحة: عدد محدود من الخطوط الملونة المنفصلة (الطيف الخطي)

هذا هو طيف الانبعاث الخطي المميز للغازات المثارة.

الإجابة الصحيحة: بصمة مميزة يمكن استخدامها للتعرف على العنصر

يمتلك كل عنصر طيفًا خطيًا خاصًا به يختلف عن أي عنصر آخر.

الإجابة الصحيحة: الأطوال الموجية نفسها التي تظهر بها خطوط طيف الانبعاث لنفس العنصر

تتطابق مواضع خطوط الامتصاص مع مواضع خطوط الانبعاث للعنصر نفسه تمامًا.

الإجابة الصحيحة: يُشع طاقة باستمرار وينهار حلزونيًا نحو النواة

هذا هو العجز الأساسي للنموذج الكلاسيكي الذي عالجه بور.

الإجابة الصحيحة: يتحرك في مستوى الطاقة الخاص به

ويشع أو يمتص فوتونًا فقط عند انتقاله بين مستويين.

الإجابة الصحيحة: $n\lambda = 2\pi r$

حيث $n = 1, 2, 3, \dots$ فيزداد نصف القطر بزيادة $n$.

الإجابة الصحيحة: $hf = |E_i - E_f|$

هذه هي علاقة طاقة الفوتون عند الانتقال بين مستويين.

الإجابة الصحيحة: $E_n = -13.6/n^2$ إلكترون فولت

هذه هي صيغة طاقة مستويات ذرة الهيدروجين.

الإجابة الصحيحة: الإلكترون في حالة مرتبطة (مقيدة) بالنواة

هذا تفسير الإشارة السالبة في طاقة الحالة المرتبطة.

الإجابة الصحيحة: الحالة الأرضية

وهي المستوى الأدنى للطاقة الأكثر استقرارًا.

الإجابة الصحيحة: $n \to \infty$ (تأين الذرة)

وهي الحالة التي يتحرر فيها الإلكترون تمامًا من الذرة.

الإجابة الصحيحة: $r_n = n^2 r_1$

تزداد أنصاف أقطار المدارات تربيعيًا مع رقم المستوى.

الإجابة الصحيحة: $n_f = 1$، وتقع في منطقة الأشعة فوق البنفسجية

هذا تصنيف سلسلة ليمان الصحيح.

الإجابة الصحيحة: الضوء المرئي

سلسلة بالمر تنتهي عند $n_f=2$ وتقع أغلب خطوطها في المرئي.

الإجابة الصحيحة: الأشعة تحت الحمراء

هذا تصنيف سلسلة باشن الصحيح.

الإجابة الصحيحة: 1.89 إلكترون فولت

$E_3 - E_2 = -1.51 - (-3.4)$.

الإجابة الصحيحة: $-3.4$ إلكترون فولت

$E_2 = -13.6/2^2 = -3.4$ إلكترون فولت.

الإجابة الصحيحة: 2.55 إلكترون فولت

$E_4=-0.85$ eV، $E_2=-3.4$ eV، $hf=|{-0.85-(-3.4)}|=2.55$ eV.

الإجابة الصحيحة: $2.12\times10^{-10}$ متر

$r_2 = 2^2 r_1 = 4\times0.53\times10^{-10} = 2.12\times10^{-10}$ متر.

الإجابة الصحيحة: 121.8 نانومتر تقريبًا

$\Delta E = 13.6 - 3.4 = 10.2\ \text{eV}$ فـ $\lambda = 1242/10.2$ وهو في فوق البنفسجية (ليمان).

الإجابة الصحيحة: مصدر وفتحة ضيقة ومنضدة عليها منشور وتلسكوب

فيحلل الضوء إلى مكوناته.

الإجابة الصحيحة: أطياف امتصاص خطية لعناصر موجودة في جو الشمس

فأثبتت وجود الهليوم والهيدروجين.

الإجابة الصحيحة: نوع عنصر الهدف

ويقل الطول الموجي بزيادة العدد الذري للهدف.

الإجابة الصحيحة: تناقص سرعة الإلكترونات بمرورها قرب ذرات الهدف

فتفقد طاقتها على دفعات متفاوتة فتشع أطوالًا موجية متصلة.

الإجابة الصحيحة: خطوط داكنة في طيف متصل عند أطوال موجية طيف الانبعاث للغاز نفسه

لأن الغاز يمتص الفوتونات التي طاقتها تساوي فروق مستوياته.

الإجابة الصحيحة: بالمر

لأنها تنتهي عند $n=2$.

الإجابة الصحيحة: 30 كيلو إلكترون فولت

إذا تحولت طاقة الإلكترون كلها إلى فوتون.

الطيف الخطي هو عدد محدود من الخطوط الملونة المنفصلة التي تظهر عند تحليل ضوء غاز مثار، عند أطوال موجية محددة بدقة، بدلًا من طيف متصل يحوي كل الأطوال الموجية. يمتلك كل عنصر كيميائي طيفًا خطيًا خاصًا به يختلف عن طيف أي عنصر آخر، بحيث يُعَد هذا الطيف بمثابة بصمة مميزة يمكن استخدامها للتعرف على العنصر وتحديد وجوده، حتى في مصادر بعيدة جدًا كالنجوم.

إذا مرّ ضوء ذو طيف متصل خلال غاز بارد قبل الوصول إلى المطياف، تظهر خطوط داكنة (غياب) في الطيف المتصل عند الأطوال الموجية نفسها التي يمتصها هذا الغاز، ويُسمى هذا بطيف الامتصاص. تتطابق مواضع خطوط طيف الامتصاص مع مواضع خطوط طيف الانبعاث للعنصر نفسه تمامًا، لأن كليهما ناتج عن الانتقالات نفسها بين المستويات نفسها في ذرات العنصر نفسه.

يفترض النموذج الكلاسيكي أن الإلكترون المتسارع الدائر حول النواة يُشع طاقة باستمرار فينهار حلزونيًا نحو النواة. قدّم بور فرضين لتجاوز هذا: (1) يتحرك الإلكترون في عدد محدد من المدارات المستقرة فقط دون أن يُشع أو يمتص طاقة طالما بقي في المدار نفسه. (2) الزخم الزاوي للإلكترون في هذه المدارات مكمّى: $L=nh/(2\pi)$. بذلك تجاوز بور إشكالية الانهيار المستمر بافتراض استقرار المدارات المسموح بها ابتداءً.

$L = \frac{n h}{2\pi}$ حيث $L$ الزخم الزاوي للإلكترون، $n$ عدد صحيح موجب يُسمى العدد الكمي الرئيسي ($n=1,2,3,\ldots$)، و$h$ ثابت بلانك.

$E_n = -\frac{13.6}{n^2}\ \text{إلكترون فولت}$ الإشارة السالبة تدل على أن الإلكترون في حالة مقيدة (مرتبط بالنواة)؛ وتزداد الطاقة (تصبح أقل سالبية) كلما زاد $n$، وتقترب من الصفر عند $n\to\infty$ وهي حالة تأين الذرة (تحرر الإلكترون تمامًا).

تُسمى حالة $n=1$ بالحالة الأرضية (المستوى الأدنى للطاقة، الأكثر استقرارًا). تُسمى حالات $n>1$ بالحالات المثارة. وتُعرف حالة $n\to\infty$ (حيث تقترب الطاقة من الصفر) بحالة التأين، وفيها يتحرر الإلكترون تمامًا من الذرة.

سلسلة ليمان تنتهي عند $n_f=1$ وتقع في منطقة الأشعة فوق البنفسجية. سلسلة بالمر تنتهي عند $n_f=2$ وتقع أغلب خطوطها في منطقة الضوء المرئي. سلسلة باشن تنتهي عند $n_f=3$ وتقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء.

لأن ليمان ينتهي عند $n=1$ فالفرق بين مستوى الانتقال والأرضي كبير فتكون الطاقة كبيرة والتردد عاليًا والطول الموجي قصيرًا (فوق بنفسجية)، بينما فوند ينتهي عند $n=5$ حيث المستويات متقاربة فتكون الطاقة صغيرة والطول كبيرًا (أقصى تحت الحمراء).

نحسب طاقتي المستويين أولًا: $E_5 = -\frac{13.6}{5^2} = -\frac{13.6}{25} \approx -0.544\ \text{إلكترون فولت} \qquad, \qquad E_2 = -\frac{13.6}{2^2} = -3.4\ \text{إلكترون فولت}$ ومنه: $hf = |E_5 - E_2| = |-0.544 - (-3.4)| \approx 2.86\ \text{إلكترون فولت}$

$\Delta E = -0.85 - (-3.4) = 2.55\ \text{eV}$. $\lambda = 1242/2.55 \approx 487\ \text{nm}$ وهو في الضوء المرئي (مجموعة بالمر).

تُضاء فتحة مستطيلة ضيقة في بؤرة عدسة محدبة بضوء أبيض فيسقط على منشور في وضع النهاية الصغرى للانحراف. أشعة كل لون متوازية بينها وغير موازية لغيرها فتجمعها الشيئية في بؤرة خاصة في مستواها البؤري وتُرى بالعينية فنحصل على طيف نقي.

المميز خطي بأطوال محددة تميز عنصر الهدف وينتج عن قفز إلكتروني بين مستويات قريبة من النواة، ولا يتوقف على فرق الجهد. المتصل يحوي كل الأطوال في حدود معينة وينتج عن تباطؤ الإلكترونات قرب ذرات الهدف ولا يتغير بتغير مادة الهدف.

الخواص: قدرة كبيرة على الاختراق، وعلى تأيين الغازات، وطولها الموجي قصير جدًا (عالية الطاقة). الاستخدامات: دراسة التركيب البلوري (الحيود)، والكشف عن عيوب المعادن، وتصوير العظام لتحديد الكسور.

$E_3 = -13.6/9 = -1.51\ \text{eV}$. $\Delta E = -1.51 - (-13.6) = 12.09\ \text{eV}$ فـ $\lambda = 1242/12.09 \approx 103\ \text{nm}$ (فوق بنفسجية، ليمان).

13.6 إلكترون فولت، $\lambda = 1242/13.6 \approx 91$ نانومتر.