Energinivåer, emissions- och absorptionsspektrum

Fysik nivå 2

En atom kan inte ha vilken energi som helst. Elektronerna i en atom befinner sig på bestämda energinivåer, ungefär som steg i en trappa: du kan stå på steg ett, två eller tre, men inte mellan dem. Den lägsta nivån kallas grundtillståndet. Att en elektron hoppar mellan nivåer är själva grunden för hur atomer sänder och tar upp ljus.

När en elektron får energi, till exempel genom värme, en elektrisk urladdning eller en infångad foton, kan den hoppa upp till en högre nivå. Tillståndet är inte stabilt, och elektronen faller snart tillbaka. Vid det hoppet sänds energin ut som en foton, och fotonens energi motsvarar exakt skillnaden mellan de två nivåerna. Den omvända processen, absorption, sker när en foton med precis rätt energi träffar atomen och lyfter en elektron uppåt.

Sambandet mellan fotonens energi och ljusets frekvens ges av E = h·f, där h är Plancks konstant, 6,63·10⁻³⁴ J·s. Vid en övergång mellan två nivåer gäller ΔE = E_hög − E_låg = h·f: energiskillnaden mellan nivåerna bestämmer frekvensen, och därmed färgen, på den foton som sänds eller absorberas. För att växla mellan våglängd och frekvens används vågsambandet c = λ·f, där c är ljusets fart. Hög frekvens och kort våglängd hör ihop med hög energi.

Eftersom varje grundämne har sitt eget mönster av energinivåer sänder det bara ljus av bestämda färger. Resultatet är ett linjespektrum: smala, skarpa linjer i stället för ett jämnt färgband. Neon lyser rödorange, kvicksilverångelampor blåvitt och natriumlampor gulorange, allt beroende på vilka energisprång som är möjliga i just den gasen. Om kallare gas finns mellan en ljuskälla med jämnt färgband och betraktaren syns i stället mörka linjer där samma energier har sugits upp: ett absorptionsspektrum, spektrumets negativ.

Spektrumet fungerar som ett fingeravtryck. Genom att analysera vilka linjer en avlägsen stjärnas ljus saknar kan astronomer avgöra vilka grundämnen som finns i dess yttre, svalare gaslager, helt utan att resa dit.

Formler

E = h·f

Fotonens energi E (joule, J) ges av Plancks konstant h (6,63·10⁻³⁴ J·s) gånger frekvensen f (hertz, Hz). Högre frekvens innebär högre energi.

ΔE = E_hög − E_låg = h·f

Energiskillnaden ΔE (joule, J) mellan den högre nivån E_hög och den lägre nivån E_låg motsvarar exakt energin h·f hos den foton som sänds ut eller absorberas vid övergången.

c = λ·f

Ljusets fart c (cirka 3,0·10⁸ m/s) är våglängden λ (meter, m) gånger frekvensen f (hertz, Hz). Används för att räkna om mellan våglängd och frekvens.

Det här lär du dig

Förklara att elektroner i en atom bara kan ha bestämda energier
Beskriva emission och absorption som hopp mellan energinivåer
Räkna med E = h·f och c = λ·f för att bestämma en fotons energi, frekvens eller våglängd
Förklara varför varje grundämne ger ett unikt linjespektrum
Skilja mellan emissionsspektrum och absorptionsspektrum

Begrepp att kunna

Energinivå: En bestämd energi som en elektron kan ha i en atom. Elektronen kan hoppa mellan nivåer men aldrig befinna sig mellan dem.
Grundtillstånd: Atomens lägsta möjliga energinivå, det tillstånd elektronen återvänder till om den inte tillförs ny energi.
Excitation: När en elektron tar upp energi och hoppar till en högre energinivå än den befann sig på.
Emission: När en elektron faller till en lägre energinivå och skillnaden sänds ut som en foton med bestämd energi.
Absorption: När en atom tar upp en foton vars energi exakt matchar skillnaden mellan två energinivåer, och en elektron lyfts uppåt.
Linjespektrum: Ett mönster av smala, skarpa spektrallinjer som uppstår eftersom en atom bara kan sända eller ta upp bestämda fotonenergier.

Vanliga svårigheter

Tror att elektronerna kan ha vilken energi som helst

Många föreställer sig elektronens energi som något som kan ändras steglöst, som att gå upp för en ramp. I verkligheten har varje atom bara vissa bestämda energinivåer, och elektronen kan bara hoppa mellan just dessa, aldrig stanna mellan dem.

Tror att rött ljus bär mer energi än blått

Rött ljus kan kännas starkare eller varmare, men det är frekvensen som avgör energin per foton. Blått och violett ljus har högre frekvens och kortare våglängd än rött, och bär därför mer energi per foton enligt E = h·f, inte mindre.

Förstår inte varför emission och absorption ger samma linjer

Vid emission faller elektronen och sänder ut en foton; vid absorption tar atomen upp en foton med exakt samma energi för att lyfta elektronen tillbaka. Eftersom det är samma energinivåer inblandade i båda riktningarna hamnar absorptionslinjerna på precis samma plats som motsvarande emissionslinjer, bara mörka mot ljus bakgrund i stället för ljusa mot mörk. En kall gas har ändå ofta färre absorptionslinjer, eftersom nästan alla elektroner då börjar i grundtillståndet.

I verkligheten

Neonskyltar och andra gasurladdningsrör lyser i olika färger

Neon ger ett rödorange sken, kvicksilverånga blåvitt och natrium gulorange. Varje gas har sitt eget mönster av energinivåer, så elektronernas hopp i just den gasen bestämmer exakt vilka färger som kan sändas ut, oavsett hur hög strömmen eller spänningen är.

Astronomer bestämmer vad en stjärna är gjord av utan att resa dit

Ljuset från stjärnans yta passerar genom kallare gas i de yttre lagren, som suger upp exakt de energier som matchar sina egna energinivåer. De mörka linjerna som blir kvar i spektrumet avslöjar vilka grundämnen gasen innehåller.

Tips

Rita energinivåerna som horisontella linjer och markera övergångar med pilar mellan dem. En lång pil nedåt betyder stor energiskillnad, vilket ger en foton med hög frekvens och kort våglängd.
Räkna alltid om våglängden till meter innan du sätter in den i c = λ·f. Att glömma omvandlingen från nanometer till meter är den vanligaste källan till felaktiga svar.
Öva på att känna igen spektra som fingeravtryck: jämför bilder av vätes, heliums och neons linjespektrum och notera var linjerna ligger. Mönstret blir snart lika igenkännligt som en signatur.

Testa dig själv

1. En gasurladdningslampa sänder ut en foton med våglängden 632 nm. Beräkna fotonens frekvens och energi.

Frekvensen fås ur c = λ·f, så f = c/λ = 3,0·10⁸ / (632·10⁻⁹) ≈ 4,7·10¹⁴ Hz. Energin blir E = h·f = 6,63·10⁻³⁴ · 4,7·10¹⁴ ≈ 3,1·10⁻¹⁹ J. Det är energin hos exakt den foton som motsvarar övergången mellan de två inblandade energinivåerna.

2. Varför lyser en neonskylt alltid med samma rödorange nyans, oavsett om spänningen ökas?

Spänningen avgör hur många atomer som exciteras per sekund och därmed hur många fotoner som sänds ut per sekund, det vill säga ljusstyrkan. Men varje foton har fortfarande en energi som bestäms av neonatomens fasta energinivåer, så färgen på ljuset ändras inte även om intensiteten gör det.

3. Varför visar solens spektrum mörka linjer i stället för ett jämnt, obrutet färgband?

Solens yta sänder ut ljus av nästan alla våglängder, men ljuset måste passera genom kallare gas längre ut. Den gasen absorberar precis de fotonenergier som motsvarar övergångar mellan dess egna energinivåer, och de färgerna saknas därför när ljuset slutligen når oss som mörka linjer i spektrumet.

Ur kursplanen

Fysik nivå 2 · Universum, materien och strålning
Atomers elektronstruktur samt absorptions- och emissionsspektra.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Leder vidare till

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: