background image

20. Model atomu wodoru według Bohra. 

 
Wybór i opracowanie zadań – Jadwiga Mechlińska-Drewko. 
Więcej zadań na ten temat  znajdziesz w II części skryptu. 
 
20.1.  
Opierając się na teorii Bohra znaleźć: 
 a/ 

promień n-tej orbity elektronu w atomie wodoru, 

 b/ 

prędkość elektronu na tej orbicie, 

 c/ 

jego 

całkowitą energię na n-tej orbicie. 

 
20.2.  
Wyznaczyć  długość fali promieniowania emitowanego przez atom wodoru przy przejściu 
elektronu z orbity n na orbitę k. 
 
20.3.  
Przejście elektronu z n-tej orbity na orbitę k=1 zachodzi z emisją fotonu o długości λ=1,026 
10

-7

m. Znaleźć promień n-tej orbity. 

 
20.4.  
Znaleźć dla dwóch pierwszych orbit atomu wodoru wartość siły przyciągania 
kulombowskiego między elektronem i jądrem oraz natężenie pola elektrycznego 
wytworzonego przez jądro w odległości równej promieniowi pierwszej i drugiej orbity. 
 
20.5.  
Ile razy zwiększy się promień orbity elektronu w atomie wodoru będącego w stanie 
podstawowym (n=1) przy wzbudzeniu go kwantem o energii E

ν

=12,09 eV ? 

 
20.6.  
W atomie wodoru elektron przeskakuje z drugiej orbity na pierwszą. Wyznaczyć zmianę 
wartości pędu elektronu oraz zmianę jego energii kinetycznej przy tym przeskoku.  
 
20.7.  
Seria linii wodorowych z zakresu światła widzialnego (tzw. seria Balmera) powstaje przy 
przejściu elektronu z wyższych orbit na drugą. Znaleźć granice serii Balmera.  
 
20.8. 
Wykazać,  że częstotliwość fali świetlnej emitowanej przez atom wodoru przy przejściu 
elektronu z   n+1 na n-tą orbitę dąży, przy dużych n, do częstotliwości obiegu elektronu na  
n-tej orbicie. 
 
20.9. 
Obliczyć  minimalne liniowe rozmiary pozytonium oraz jego energię jonizacji. Pozytonium 
jest układem złożonym z pozytonu i elektronu krążących wokół wspólnego środka masy. 
 
20.10. 
Obliczyć wartość orbitalnego momentu magnetycznego elektronu w atomie wodoru w stanie 
podstawowym. 
 
 

background image

Rozwiązania: 
 
20.1.R.  
Korzystając z równań: 

2

2

0

2

4

1

2

n

n

n

n

n

r

e

r

mV

i

h

n

r

V

m

πε

π

=

=

gdzie:  
m- masa elektronu, 
r

n

- promień n-tej orbity,  

V

n

- prędkość elektronu na n-tej orbicie, 

h- stała Plancka,  
e- ładunek elektronu,  
ε

0

- przenikalność elektryczna próżni, 

 
wyznaczamy: 

 

n

h

e

V

i

n

e

m

h

r

n

n

1

2

0

2

2

2

2

0

ε

π

ε

=

=

Całkowita energia elektronu jest sumą energii kinetycznej 

2

2

n

kn

mV

E

=

  

i energii potencjalnej oddziaływania elektronu z jądrem 

n

pn

r

e

E

2

0

4

1

πε

=

 czyli 

.

10

09

,

1

8

,

1

8

1

7

3

2

0

4

2

2

2

2

0

4

=

=

=

=

+

=

m

c

h

me

R

gdzie

n

Rhc

n

h

me

E

E

E

pn

kn

n

πε

πε

 

R - stała Rydberga. 
 
20.2.R.  

2

2

k

Rhc

n

Rhc

E

E

c

h

h

k

n

+

=

=

=

λ

υ

=

+

=

2

2

2

2

1

1

1

1

1

n

k

R

k

n

R

λ

 
20.3.R.  
Z poprzednich zadań mamy zależności: 

       (1)     

=

2

2

1

1

1

n

k

R

λ

 

        (2)     

2

2

2

0

n

e

m

h

r

n

π

ε

=

Po wstawieniu n

2

 wyznaczonego z równania (1) do równania (2) mamy: 

.

10

75

,

4

)

(

10

2

2

2

2

0

m

k

R

e

m

k

R

h

r

n

=

=

λ

π

λ

ε

 
 
 
 
 

background image

20.4.R.  
Ponieważ 

2

2

0

4

1

n

n

r

e

F

πε

=

  oraz          

2

2

2

0

n

e

m

h

r

n

π

ε

=

to         

4

3

0

4

6

2

1

4

n

h

e

m

F

n

ε

π

=

 

Natężenie pola elektrycznego 

e

F

q

F

E

=

=

Wynik obliczeń: 

4

1

2

4

1

2

11

1

8

1

2

,

2

10

13

,

5

,

10

22

,

8

E

E

F

F

oraz

m

V

E

N

F

=

=

=

=

 
20.5.R.  
W wodorze, przy przejściu elektronu z orbity n-tej na pierwszą orbitę następuje emisja 
kwantu o energii: 

2

2

1

1

Rhc

n

Rhc

E

E

h

E

n

+

=

=

=

υ

υ

Znając wartość energii kwantu można wyznaczyć wartość n :

3

=

=

υ

E

Rhc

Rhc

n

Elektron w procesie opisanym w zadaniu został wzbudzony na poziom trzeci. 

 Ponieważ : 

2

2

2

0

n

e

m

h

r

n

π

ε

=

i   

r

to 

2

1

n

r

n

=

9

3

2

1

3

2

1

=

=

=

r

r

i

n

r

r

n

 
20.6.R.  

Z postulatu Bohra wynika:  

n

n

n

n

r

nh

p

i

h

n

r

V

m

π

π

2

=

=

2

Ponieważ 

2

2

2

0

n

e

m

h

r

n

π

ε

=

to       

2

2

2

0

4

2

0

2

8

2

1

2

n

h

me

m

p

E

oraz

n

h

me

p

n

kn

n

ε

ε

=

=

=

Z powyższych zależności wynika, że: 

2

2

0

4

2

1

0

2

0

2

2

1

32

3

4

2

1

1

2

h

me

E

E

E

oraz

h

me

h

me

p

p

p

ε

ε

ε

=

=

=

 −

=

=

 
20.7.R.  
Przy przejściu elektronu z n-tej orbity na 

k-tą następuje emisja światła o długości spełniającej 

równanie

=

2

2

1

1

1

n

k

R

λ

. Dla serii Balmera 

k=2. 

Przy przejściu z 

n=3 na k=2 nastąpi emisja kwantu o najmniejszej energii (i największej 

długości fali) w serii Balmera. Jest to długofalowa granica serii przy czym: 
 

 

.

660

36

5

3

1

2

1

1

max

2

2

.

max

nm

czyli

R

R

=

=

=

λ

λ

 

Krótkofalowa granica odpowiada przejściu z 

=

n

na 

k=2 i wynosi   

nm

R

367

4

.

min

=

=

λ

 
 

background image

20.8.R. 

Ponieważ     

n

h

e

V

i

n

e

m

h

r

n

n

1

2

0

2

2

2

2

0

ε

π

ε

=

=

    częstotliwość obiegu elektronu w atomie 

wodoru jest równa:      

3

3

2

0

4

1

4

2

n

h

me

r

V

n

n

n

=

=

ε

π

υ

            

.

8

3

2

0

4

c

h

me

R

ε

=

 

 
Przy przejściu elektronu z orbity 

n+1 na orbitę n następuje emisja kwantu o energii: 

 

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

2

1

1

1

)

1

(

n

n

n

n

n

Rc

n

n

Rc

czyli

n

Rhc

n

Rhc

E

E

h

E

n

n

+

+

+

=

+

=

+

+

=

=

=

+

υ

υ

υ

 

Dla n>>1 częstotliwość kwantu dąży do wartości

3

2

n

Rc

n

=

υ

co jest równe częstotliwości 

obiegu elektronu. 
 
20.9.R. 
Pozyton jest cząstką o masie równej masie elektronu. Ładunek pozytonu jest równy co do 
wartości bezwzględnej ładunkowi elektronu i wynosi 1,6

⋅10

-19

C. 

Uwzględniając ruch elektronu i pozytonu wokół wspólnego środka masy wprowadzamy masę 
zredukowaną  

µ układu elektron-pozyton: 

 

p

e

m

m

1

1

1

+

=

µ

gdzie 

m

e 

m

p

 odpowiednio masy elektronu i pozytonu. 

 
Korzystając z układu równań: 

h

n

r

V

n

n

=

µ

π

2

 

i

 

2

0

2

2

4

n

n

n

r

e

r

V

πε

µ

=

 ,    

przyjmując, że 

m

e

=m

p

=m wyznaczamy 

2

2

2

0

2

n

e

m

h

r

n

π

ε

=

.  

Minimalne rozmiary pozytonium określa promień pierwszej orbity: 

2

2

0

1

2

e

m

h

r

π

ε

=

Energia wiązania pozytonium wynosi:  

2

2

2

0

4

0

2

0

2

2

16

8

4

2

n

h

me

r

e

r

e

V

E

E

E

n

n

n

p

k

w

ε

πε

πε

µ

=

=

=

+

=

  

 

Energia jonizacji z poziomu pierwszego 

eV

h

me

E

j

8

,

6

16

2

2

0

4

=

=

ε

 
 
 
 
 

background image

20.10.R. 
Moment magnetyczny obwodu z prądem  

IS

=

µ

      

 

natężenie prądu jaki daje ruch elektronu po orbicie kołowej,  

powierzchnia obejmowaną przez ten obwód z prądem. 

 

n

T

e

I

=

        

T

n

 –okres obiegu elektronu na 

n-tej orbicie 

 

2

2

n

n

n

n

r

S

V

r

T

π

π

=

=

 

 

n

n

m

eh

r

eV

r

r

eV

B

n

n

n

n

n

n

n

n

µ

π

µ

µ

π

π

µ

=

=

=

=

4

2

2

2

         

µ

B

=0,93 

⋅10

-23

J/T -magneton Bohra.