Почему у газа свой набор цветных линий?

Вопрос и прогноз

Радуга от призмы непрерывна, а свет от некоторых разреженных газов даёт отдельные линии. Если это один и тот же свет, почему рисунки различаются? Не спешите говорить, что в газе «мало цветов». Сначала вспомните, что фотон несёт определённую энергию, а атом не обязан принимать любую энергию своего электрона.

Слова без пропусков

Энергетический уровень — разрешённое состояние атома с определённой энергией. Переход — изменение состояния между уровнями. При переходе с более высокого уровня на более низкий атом может испустить фотон. Спектр — распределение света по длинам волн или частотам; отдельные линии означают некоторые разрешённые разности энергий. Цвет видимой линии зависит от частоты фотона. Это не доказательство шариковой орбиты электрона: уровни описывают состояние, а не нарисованную дорожку.

Разбираем учебный пример

Учебный атом имеет уровни 2 и 5 условных единиц энергии. При переходе 5 → 2 разность равна 3 условным единицам; столько энергии у испущенного фотона. Обратный переход потребует поглощения 3 единиц в подходящих условиях. Это придуманные уровни для арифметики, не реальные данные водорода. На схеме две строго горизонтальные линии стоят на высотах, соответствующих числам 2 и 5; вертикальная стрелка связывает именно их.

Проверяем безопасно

Нарисуйте на клетчатой бумаге две горизонтальные линии: нижнюю на высоте 2 клетки, верхнюю на высоте 5. Проведите стрелку сверху вниз; посчитайте 5−2. Теперь добавьте третий уровень на высоте 8 и перечислите возможные положительные разности между каждой парой. Сравнивайте только числа в придуманной модели; для настоящих атомов справочные спектры можно посмотреть в базе NIST.

Типичная ошибка

Ошибка — считать уровень физической полкой на расстоянии пяти сантиметров от ядра. Вертикальная ось здесь измеряет энергию, не длину. Перенос: при уровнях 2, 5, 8 какие три разности возможны? Могут ли две разные пары дать одинаковую разность? Проверьте вычитанием.

Опорная схема

Проверь себя

Закройте текст и объясните новому ученику рисунок слева направо. Назовите наблюдение, учебное допущение и то, чего эти данные не доказывают. Затем решите вопрос переноса без подсказки и проверьте единицы или направление на схеме. Если ответ расходится, вернитесь к первому непонятному слову, а не заучивайте готовую фразу. Устный ответ, чертёж и измерение — разные виды доказательства; подпишите каждый честно.

Страница лабораторного журнала

Добавьте к «Лабораторному журналу моего мира» строку: вопрос → прогноз → что оставили постоянным → что изменили → наблюдение или расчёт → вывод → ограничение. В рисунке поставьте масштаб или укажите «схематично». Если опыт не проводился, запишите «учебный расчёт», а не «мы измерили». Вернитесь к этой записи после следующего урока и отметьте, что стало понятнее.

Источник сведений: www.nist.gov.

Следующий урок: Почему часам спутника нельзя просто доверить время на Земле?