Đang tải bài học…

AP Chemistry

phổ nguyên tử

atomic spectra

Còn gọi: line

Phổ nguyên tử là tập hợp các vạch sáng hoặc vạch tối riêng biệt, đặc trưng cho mỗi nguyên tố hóa học.

Khi nguyên tử ở trạng thái khí bị kích thích bởi nhiệt hoặc dòng điện, chúng phát ra ánh sáng. Nếu cho ánh sáng này đi qua lăng kính, ta không thu được một dải màu liên tục như ánh sáng mặt trời, mà chỉ thấy những vạch màu riêng rẽ nằm trên nền tối. Tập hợp các vạch riêng rẽ đó được gọi là phổ vạch, và vì nó do nguyên tử phát ra nên còn mang tên phổ nguyên tử.

Hiện tượng này được giải thích nhờ mô hình nguyên tử Bohr (Bohr atom). Êlectron trong nguyên tử chỉ tồn tại ở những mức năng lượng xác định, chứ không thể mang bất kì giá trị nào. Khi một êlectron chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức thấp hơn, nó phát ra một phôtôn mang năng lượng đúng bằng hiệu hai mức. Do các mức năng lượng bị lượng tử hóa, năng lượng của phôtôn phát ra cũng chỉ nhận những giá trị gián đoạn. Vì vậy, bước sóng (wavelength) ánh sáng tạo thành những vạch rời rạc thay vì trải liên tục trên phổ.

Hệ quả quan trọng nhất là mỗi nguyên tố hóa học có một bộ mức năng lượng đặc trưng, do đó phổ nguyên tử của mỗi nguyên tố là duy nhất — giống như "dấu vân tay" quang học. Nhờ đó, các nhà hóa học có thể nhận diện nguyên tố chưa biết bằng cách so sánh phổ quan sát được với phổ chuẩn. Mối liên hệ giữa năng lượng và bước sóng được biểu diễn qua hệ thức $E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}$ , trong đó $h$ là hằng số Planck (Planck's constant), $\nu$ là tần số ánh sáng, $c$ là tốc độ ánh sáng (speed of light) trong chân không, và $\lambda$ là bước sóng ứng với mỗi vạch phổ.

Ký hiệu

• $\lambda$ — bước sóng
• $\nu$ — tần số
• $E$ — năng lượng photon
• $h$ — hằng số Planck

Đơn vị$\lambda$: nm; $E$: J hoặc eV

Trực giác: Hãy tưởng tượng mỗi nguyên tố như một chiếc đàn piano có bộ phím riêng — khi gõ, nó chỉ phát ra những nốt nhất định, tạo nên giai điệu đặc trưng không nhầm với bất kì nguyên tố nào khác.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{\frac{1}{\lambda}} = \htmlClass{fp-1}{R_H} \htmlClass{fp-2}{\left( \frac{1}{n_1^2} - \frac{1}{n_2^2} \right)}

Công thức này dùng để tính toán chính xác vị trí của các vạch sáng trong phổ phát xạ (emission spectrum) của nguyên tử hydro. Nhờ đó, thí sinh có thể xác định được bước sóng (wavelength) của ánh sáng phát ra khi electron chuyển dời từ mức năng lượng (energy level) cao ( $n_2$ ) về mức năng lượng thấp hơn ( $n_1$ ). Tuy nhiên, công thức chỉ áp dụng được cho hệ một electron như hydro, vì nhiều electron sẽ làm phức tạp tương tác tĩnh điện.

Trong đó

\lambda

bước sóng của ánh sáng phát ra — m

R_H

hằng số Rydberg, xấp xỉ

1,097 \times 10^7

— m^{-1}

n_1

số lượng tử chính của mức năng lượng thấp hơn

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1859Gustav KirchhoffRobert BunsenNiels BohrMax PlanckJoseph von Fraunhofer

Thử nghiệm tương tác

Bấm từng mức năng lượng — xem mỗi bước nhảy đẻ ra đúng một vạch màu

Hay hiểu sai

Năng lượng photon bằng HIỆU hai mức, không bằng năng lượng của một mức.

Bước sóng dài không có nghĩa là năng lượng lớn.

Phổ vạch chứng minh năng lượng bị lượng tử hóa, không chứng minh electron chuyển động theo quỹ đạo tròn.

Quang phổ hấp thụ và quang phổ phát xạ có cùng bộ bước sóng.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Trong một ống phóng điện chứa khí hydrogen ở áp suất thấp, các nguyên tử bị kích thích rồi phát ra ánh sáng màu hồng đặc trưng. Khi cho chùm sáng này đi qua lăng kính, ta không thu được dải màu liên tục mà chỉ thấy vài vạch sáng riêng lẻ trên nền tối. Theo mô hình Bohr, năng lượng của electron ở lớp thứ

n

trong nguyên tử hydrogen là

E_n = -\dfrac{2.18\times 10^{-18}}{n^2}

J. Cho

h = 6.626\times 10^{-34}

J·s và

c = 3.00\times 10^{8}

m/s.

aTính năng lượng của photon phát ra khi electron chuyển từ $n=4$ về $n=2$ , rồi tính bước sóng tương ứng và cho biết vạch này nằm ở vùng nào của quang phổ.
bTính bước sóng của vạch ứng với chuyển mức $n=3 \to n=2$ và giải thích vì sao vạch này có bước sóng dài hơn vạch ở câu (a).
cGiải thích vì sao ánh sáng phát ra chỉ gồm những vạch rời rạc chứ không phải một dải màu liên tục.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Cấu trúc nguyên tử và cấu hình electron” — khoá AP Chemistry

Cần trướclượng tửorbital nguyên tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

phổ điện từ (electromagnetic spectrum)electromagnetic spectrum

Khác nhau ở đâuPhổ điện từ bao gồm mọi bước sóng bức xạ sắp xếp liên tục. Phổ nguyên tử chỉ gồm những vạch rời rạc đặc trưng cho từng nguyên tố.

Hay nhầm khiKhi đề cho một dải bước sóng liên tục và hỏi về vạch phổ, thí sinh nhầm giữa phổ liên tục với phổ vạch.

phổ hấp thụ (absorption spectrum)absorption spectrum

Khác nhau ở đâuPhổ nguyên tử gồm cả vạch phát xạ lẫn vạch hấp thụ của một nguyên tố. Phổ hấp thụ chỉ là tập con khi nguyên tử hấp thụ photon từ nguồn liên tục.

Hay nhầm khiKhi đề mô tả các vạch tối trên nền sáng liên tục, thí sinh không nhận ra đó là một dạng của phổ nguyên tử.

số lượng tử chính của mức năng lượng cao hơn (

n_2 > n_1

)

Phổ nguyên tử được nhận diện từ năm 1859, khi Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen làm việc tại Đại học Heidelberg phát hiện mỗi nguyên tố khi bị nung nóng lại phát ra một tập hợp ánh sáng riêng. Nhờ đó, việc xác định thành phần của một mẫu chất chưa biết trở thành bài toán đọc ánh sáng.

Vào giữa thế kỷ 19, hóa học vẫn thiếu một cách nhanh và chắc chắn để biết trong mẫu chất có nguyên tố nào. Kirchhoff cùng người bạn là nhà hóa học Bunsen đã dùng chính ngọn đèn Bunsen để đốt các chất, rồi tán sắc ánh sáng phát ra và quan sát. Kết quả cho thấy mỗi nguyên tố hay hợp chất đều có một phổ đặc trưng, khác biệt như dấu vân tay. Trước đó, việc dùng khe hẹp thay cho lỗ tròn để tán sắc ánh sáng đã được W. H. Wollaston thực hiện năm 1802 và Joseph von Fraunhofer tiếp nối năm 1814, tạo nền cho quan sát của Kirchhoff. Tuy vậy, phải chờ đến năm 1900 với khái niệm lượng tử của Max Planck, và năm 1913 khi Niels Bohr đưa ra mô hình nguyên tử giải thích được công thức Rydberg (Rydberg formula), người ta mới hiểu vì sao phổ lại gồm những vạch rời rạc.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi ghép từ hai chữ có lai lịch rất khác nhau. Phần "atomic" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp "atomos", nghĩa là không thể chia nhỏ, chữ mà nhà triết học Democritus dùng từ thế kỷ 5 trước Công nguyên để chỉ đơn vị cơ bản của vật chất, và được John Dalton làm sống lại trong thuyết nguyên tử công bố năm 1803. Điều thú vị là cái tên "không thể chia" ấy lại gắn với một hiện tượng chỉ giải thích được khi thừa nhận nguyên tử có cấu trúc bên trong: đến năm 1916, Walter Kossel nhận ra phổ tia X sinh ra khi electron ở lớp electron trong (inner shell) bị bứt đi. Vì vậy, cái tên hôm nay mang tính lịch sử nhiều hơn tính mô tả. Phần "spectra" là dạng số nhiều của "spectrum", vốn chỉ dải màu thu được khi tán sắc ánh sáng; mỗi vạch sáng riêng lẻ trong dải đó gọi là vạch phổ (spectral line). Có một trùng hợp đáng nhớ: chữ "spectrum" trong toán học được Hilbert đặt theo một hướng riêng, có thể chịu ảnh hưởng từ bài viết của Wilhelm Wirtinger, rồi đến thập niên 1920 các nhà vật lý mới ngỡ ngàng nhận ra "phổ" của toán tử Hermite trong không gian Hilbert lại chính là chìa khóa giải thích phổ của nguyên tử.

Bấm từng mức năng lượng — xem mỗi bước nhảy đẻ ra đúng một vạch màu

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Đổi nanomet sang mét trước khi thay vào công thức, nếu không sẽ lệch $10^{9}$ lần.

Khi giải thích màu của ngọn lửa hay của đèn khí, phải nhắc tới cả bước lên lẫn bước xuống.

Đừng để bị lừa bởi từ "liên tục" trong đề trắc nghiệm.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

1Bước 1: Trước hết ta tính năng lượng của hai mức liên quan. Với

n=4

thì

E_4 = -\dfrac{2.18\times 10^{-18}}{16} = -1.3625\times 10^{-19}

J, còn với

n=2

thì

E_2 = -\dfrac{2.18\times 10^{-18}}{4} = -5.45\times 10^{-19}

J. Dấu âm cho biết electron bị hạt nhân giữ lại, và mức càng gần hạt nhân thì giá trị càng âm, tức là càng bền.

2Bước 2: Biến thiên năng lượng của electron là

\Delta E = E_2 - E_4 = -5.45\times 10^{-19} - (-1.3625\times 10^{-19}) = -4.0875\times 10^{-19}

J. Giá trị âm nghĩa là electron mất năng lượng, do đó phần năng lượng này thoát ra ngoài dưới dạng một photon có

E_{photon} = 4.0875\times 10^{-19}

J. Trong bài thi, luôn nhớ rằng năng lượng photon là một số dương, còn dấu âm chỉ thuộc về nguyên tử.

3Bước 3: Từ

E = \dfrac{hc}{\lambda}

suy ra

\lambda = \dfrac{hc}{E}

, nên

\lambda = \dfrac{(6.626\times 10^{-34})(3.00\times 10^{8})}{4.0875\times 10^{-19}} = 4.86\times 10^{-7}

m, tức

486

nm. Bước sóng này nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy, ứng với màu lam lục, và đúng là một trong các vạch sáng quan sát được trong ống phóng điện.

4Bước 4: Lặp lại phép tính cho chuyển mức

n=3 \to n=2

E_3 = -\dfrac{2.18\times 10^{-18}}{9} = -2.4222\times 10^{-19}

J, nên

\Delta E = -5.45\times 10^{-19} + 2.4222\times 10^{-19} = -3.0278\times 10^{-19}

J và

\lambda = \dfrac{1.9878\times 10^{-25}}{3.0278\times 10^{-19}} = 6.57\times 10^{-7}

m, tức

657

nm (màu đỏ). Vì hai mức

n=3

và

n=2

nằm gần nhau hơn so với

n=4

và

n=2

, khe năng lượng nhỏ hơn nên photon mang ít năng lượng hơn; mà

\lambda

tỉ lệ nghịch với

E

, do đó bước sóng dài hơn.

5Bước 5: Ý (c) là câu hỏi giải thích, nên phải viết bằng lời chứ không phải bằng số. Electron trong nguyên tử chỉ tồn tại ở những mức năng lượng gián đoạn, vì vậy hiệu năng lượng giữa hai mức bất kỳ cũng chỉ nhận một số giá trị xác định. Mỗi hiệu năng lượng đó cho đúng một bước sóng, và tập hợp các bước sóng ấy tạo thành phổ vạch (line spectrum) thay vì dải màu liên tục.

Chuyển mức $n=4 \to n=2$ giải phóng photon $4.09\times 10^{-19}$ J ứng với $\lambda = 486$ nm (vạch lam lục), còn chuyển mức $n=3 \to n=2$ cho $\lambda = 657$ nm (vạch đỏ) vì khe năng lượng nhỏ hơn. Chính vì các mức năng lượng của electron bị lượng tử hóa nên khí hydrogen trong ống phóng điện chỉ phát ra một số vạch sáng rời rạc, và bộ vạch này giống như dấu vân tay riêng của nguyên tử hydrogen.

2Ví dụ 2/2

Một chùm sáng trắng đi qua bình chứa hơi hydrogen nguyên tử ở trạng thái cơ bản (ground state). Sau khi ra khỏi bình, chùm sáng bị mất đi đúng những bước sóng mà nguyên tử hấp thụ, tạo thành các vạch tối trên nền phổ liên tục. Vẫn dùng

E_n = -\dfrac{2.18\times 10^{-18}}{n^2}

h = 6.626\times 10^{-34}

J·s,

c = 3.00\times 10^{8}

m/s và

N_A = 6.022\times 10^{23}

mol⁻¹.

aMột photon mang năng lượng $1.94\times 10^{-18}$ J đi tới nguyên tử hydrogen đang ở trạng thái cơ bản. Photon này có bị hấp thụ không, và nếu có thì electron chuyển lên lớp nào?
bTính năng lượng tối thiểu cần để tách hẳn electron ra khỏi nguyên tử hydrogen ở trạng thái cơ bản, kèm bước sóng tương ứng và vùng phổ của bức xạ đó.
cQuy đổi kết quả câu (b) sang năng lượng ion hóa tính theo kJ·mol⁻¹.

1Bước 1: Nguyên tử chỉ hấp thụ photon khi năng lượng photon trùng khớp với một hiệu mức năng lượng, nên ta thử các chuyển mức xuất phát từ

n=1

. Với

n=1 \to n=2

\Delta E = -5.45\times 10^{-19} - (-2.18\times 10^{-18}) = 1.635\times 10^{-18}

J, chưa khớp. Với

n=1 \to n=3

\Delta E = -2.4222\times 10^{-19} + 2.18\times 10^{-18} = 1.94\times 10^{-18}

J, đúng bằng năng lượng photon đã cho.

2Bước 2: Vậy photon bị hấp thụ và electron nhảy từ

n=1

lên

n=3

, tức nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích (excited state). Nếu photon có năng lượng nằm giữa hai giá trị

1.635\times 10^{-18}

J và

1.94\times 10^{-18}

J thì nó sẽ đi thẳng qua mà không bị hấp thụ. Đây chính là lý do phổ hấp thụ (absorption spectrum) chỉ có một số vạch tối chứ không tối đều.

3Bước 3: Tách hẳn electron nghĩa là đưa nó từ

n=1

n=\infty

, nơi

E_\infty = 0

. Do đó

\Delta E = 0 - (-2.18\times 10^{-18}) = 2.18\times 10^{-18}

J cho mỗi nguyên tử. Bước sóng tương ứng là

\lambda = \dfrac{1.9878\times 10^{-25}}{2.18\times 10^{-18}} = 9.12\times 10^{-8}

m, tức

91.2

nm, nằm sâu trong vùng tử ngoại nên mắt người không nhìn thấy.

4Bước 4: Để có năng lượng ion hóa (ionization energy) theo mol, ta nhân giá trị của một nguyên tử với số Avogadro:

2.18\times 10^{-18} \times 6.022\times 10^{23} = 1.31\times 10^{6}

J·mol⁻¹, tức khoảng

1.31\times 10^{3}

kJ·mol⁻¹. Con số này trùng với giá trị

1312

kJ·mol⁻¹ ghi trong bảng năng lượng ion hóa thứ nhất của hydrogen, một dấu hiệu tốt cho thấy phép tính nhất quán.

Photon $1.94\times 10^{-18}$ J được hấp thụ vì nó khớp đúng với chuyển mức $n=1 \to n=3$ , nên nó tạo ra một vạch tối trong phổ hấp thụ của hơi hydrogen. Muốn ion hóa nguyên tử ở trạng thái cơ bản thì cần $2.18\times 10^{-18}$ J mỗi nguyên tử, ứng với bức xạ tử ngoại $91.2$ nm hay $1.31\times 10^{3}$ kJ·mol⁻¹. Như vậy phổ hấp thụ và phổ phát xạ của cùng một nguyên tố cho cùng một bộ bước sóng, chỉ khác nhau ở chỗ vạch hiện lên là tối hay sáng.

Dẫn tớimáy quang phổ (sắp có)

Liên quanhiệu ứng quang điện (sắp có)photon

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.