Примеры решения задач
1 Пользуясь теорией Бора, выведите формулы для потенциальной, кинетической и полной энергии электрона, движущегося по -й орбите в водородоподобном атоме.
Дано: Z, n Найти: Un-? Tn-? En-? | Решение Потенциальная энергия электрона в водородоподобном атоме, порядковый номер которого в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева равен Z, определяется электростатическим взаимодействием электрона и ядра, которые можно считать точечными зарядами: . (2.10) |
Здесь – расстояние между электроном и ядром (радиус -ой круговой орбиты электрона).
Кинетическая энергия электрона определяется по формуле
, (2.11)
где – скорость электрона на - ой орбите.
Для того, чтобы определить радиус - й орбиты и скорость электрона , необходимо решить систему из уравнений (2.3), (2.4):
,
.
Получим:
, (2.12)
. (2.13)
Подставляя (2.12) в формулу (2.10), а (2.13) – в формулу (2.11), получим следующие выражения для потенциальной и кинетической энергии электрона, движущегося по -й орбите:
, (2.14)
. (2.15)
Суммируя (2.14) и (2.15), получим выражение для полной энергии электрона, находящегося в -м стационарном состоянии:
.
Ответы: , ,
.
Дано: Eф=16,5 эВ =26,4·10-19 Дж n=1 | Решение Для того чтобы определить скорость выбитого из атома электрона, воспользуемся законом сохранения энергии для рассматриваемого явления. Получив энергию Eф,электрон, находящийся в невозбужденном состоянии (n=1) атома водорода ( ), преодолеет притяжение с ядром, т.е. потратит энергию и, покинув атом, приобретет кинетическую энергию : |
Найти: -? |
2Фотон с энергией 16,5 эВ выбил электрон из невозбужденного атома водорода. Какую скорость будет иметь электрон вдали от ядра атома?
(2.16)
В соответствии с теорией Бора энергия водородоподобной системы в n-м стационарном состоянии определяется по формуле (2.6). При условиях , n=1 она приобретает вид
.
Затратив энергию связи, электрон станет свободным, т.е. его энергия станет равной нулю. Следовательно,
. (2.17)
Подставляя (2.17) в формулу (2.16) и выражая затем скорость, получим:
.
В результате вычислений определим значение скорости электрона: 1,01·106 м/с.
Ответ: 1,01·106 м/с.
2 Атомарный водород возбуждают на n-й энергетический уровень. Определить длины волн испускаемых линий, если n = 4; каким сериям принадлежат эти линии?
Дано: n =4 | Решение Различные атомы водорода, находящиеся в зоне возбуждения и переведенные в возбужденное состояние с n = 4, могут вернуться в основное состояние (n = 1), совершая последовательность различных квантовых переходов. |
Найти: -? |
Воспользуемся схемой энергетических уровней, изображенной на рисунке 2.1, и укажем все возможные последовательности квантовых переходов, совершая которые атомы водорода могут перейти с возбужденного уровня (n = 4) на основной (n = 1):
а) 4→3; 3→2; 2→1;
б) 4→2; 2→1;
в) 4→3; 3→1;
г) 4→1.
Выпишем неповторяющиеся квантовые переходы:
4 → 3 ( ); 3 → 2 ( ); 2 → 1( ) ;
4 → 2 ( ); 3 → 1 ( ); 4 → 1 . ( ) . (2.18)
Выразим длины волн спектральных линий, соответствующих всем указанным квантовым переходам, пользуясь обобщенной формулой Бальмера (2.1) и связью между волновым числом и длиной волны излучения :
; ; .
(2.19)
Длины волн , , выразим, применяя комбинационный принцип Ритца:
; ;
. (2.20)
Вычислим значений длин волн , , , , по формулам (2.19), (2.20), учитывая значение постоянной Ридберга ( м-1).
Получим: м.
Устанавливая соответствие спектральных линий различным квантовым переходам (2.18) определим, что спектральная линия с длиной волны м относится к серии Пашена; линии с длинами волн м и м – серии Бальмера; м, м и м – серии Лаймана.
Ответ: м (серия Пашена); м, м (серия Бальмера); м, м, м (серия Лаймана).