IChO 1991 · Theory problem 4
Hydrogen atom energy levels, Lyman series and the photoelectric effect
The energy of stable states of the hydrogen atom is given by: \(E_n=-2.18\times10^{-18}/n^2\ [\mathrm{J}]\)
where \(n\) denotes the principal quantum number.
4.1 Calculate the energy differences between \(n=2\) (first excited state) and \(n=1\) (ground state) and between \(n=7\) and \(n=1\).
4.2 In what spectral range is the Lyman series lying?
4.3 Can a single photon, emitted in the first and/or sixth line of the Lyman series, ionize:
a) another hydrogen atom in its ground state?
b) a copper atom in the \(\ce{Cu}\) crystal?
The electron work function of \(\ce{Cu}\) is \(\Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}\).
4.4 Calculate the de Broglie wavelength of the electrons emitted from a copper crystal when irradiated by photons from the first line and the sixth line of the Lyman series.
\(h=6.6256\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s};\qquad m_e=9.1091\times10^{-31}\ \mathrm{kg};\qquad c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)
Official English text of the problem.
Answers
- 4.1 \(E_2-E_1=\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\); \(E_7-E_1=\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\).
- 4.2 The ultraviolet, specifically vacuum ultraviolet: approximately \(91.1\)–\(121\ \mathrm{nm}\), with \(91.1\ \mathrm{nm}\) the series limit.
- 4.3(a) Neither photon can ionize a ground-state hydrogen atom.
- 4.3(b) Both photons can eject an electron from the copper crystal.
- 4.4 First line: \(\boxed{\lambda_e=5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.520\ \mathrm{nm}}\). Sixth line: \(\boxed{\lambda_e=4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.416\ \mathrm{nm}}\). These correspond to the maximum-energy photoelectrons.
Solution
4.1 — Energy differences
For an excited level \(n\), its energy above the ground state is
\[ \Delta E_{n,1}=E_n-E_1 =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac{1}{n^2}\right)\ \mathrm{J}. \]
Thus,
\[ \Delta E_{2,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac14\right) =1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}, \]
and
\[ \Delta E_{7,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac1{49}\right) =2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}. \]
These positive energy differences equal the photon energies emitted in the downward transitions. The atom’s energy changes during emission have the opposite sign.
4.2 — Spectral range of the Lyman series
The Lyman series consists of transitions from \(n=2,3,\ldots\) to \(n=1\). Its first line is therefore \(2\to1\), and its sixth line is \(7\to1\).
Using \(E_\gamma=hc/\lambda_\gamma\), the longest wavelength is that of the first line:
\[ \lambda_{\gamma,1} =\frac{(6.6256\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {1.635\times10^{-18}} =1.21486\ldots\times10^{-7}\ \mathrm{m} \approx121\ \mathrm{nm}. \]
As \(n\to\infty\), the photon energy approaches \(2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\), giving the short-wavelength limit:
\[ \lambda_{\mathrm{limit}} =\frac{hc}{2.18\times10^{-18}} =9.11148\ldots\times10^{-8}\ \mathrm{m} \approx91.1\ \mathrm{nm}. \]
Thus, the entire series lies in the ultraviolet, specifically the vacuum-ultraviolet region.
4.3 — Can the photons cause ionization?
(a) Ground-state hydrogen
Ionization requires raising the electron from \(E_1=-2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\) to the continuum at zero energy. The required energy is therefore
\[ E_{\mathrm{ion}}=0-E_1=2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}. \]
Both photon energies are smaller:
\[ E_{\gamma,1}=1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}, \]
\[ E_{\gamma,6}=2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}. \]
Consequently, neither photon can ionize a ground-state hydrogen atom. They can excite it to the corresponding bound level.
(b) Copper crystal
For electron emission from the copper crystal, the relevant threshold is the work function:
\[ \Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
Since
\[ E_{\gamma,1}>\Phi_{\ce{Cu}} \qquad\text{and}\qquad E_{\gamma,6}>\Phi_{\ce{Cu}}, \]
both photons can eject an electron by the photoelectric effect. The supplied work function describes electron removal from the solid.
4.4 — De Broglie wavelengths of the emitted electrons
The photoelectric equation gives the maximum kinetic energy:
\[ K_{\max}=E_\gamma-\Phi_{\ce{Cu}}. \]
For a nonrelativistic electron,
\[ K=\frac{p^2}{2m_e}, \qquad \lambda_e=\frac{h}{p} =\frac{h}{\sqrt{2m_eK}}. \]
For irradiation by the first Lyman line,
\[ K_{\max,1} =1.635\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =8.91\times10^{-19}\ \mathrm{J}, \]
so
\[ \lambda_{e,1} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(8.91\times10^{-19})}} =\boxed{5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
For irradiation by the sixth Lyman line, retaining unrounded intermediate values,
\[ K_{\max,6} =2.135510\ldots\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =1.391510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}, \]
and
\[ \lambda_{e,6} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(1.391510\ldots\times10^{-18})}} =\boxed{4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
These are the minimum de Broglie wavelengths, corresponding to the maximum kinetic energies. Photoelectrons emitted with less kinetic energy have longer wavelengths.
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1991 · Theorieaufgabe 4
Energieniveaus des Wasserstoffatoms, Lyman-Serie und photoelektrischer Effekt
Die Energie der stabilen Zustände des Wasserstoffatoms ist gegeben durch: \(E_n=-2.18\times10^{-18}/n^2\ [\mathrm{J}]\)
wobei \(n\) die Hauptquantenzahl bezeichnet.
4.1 Berechnen Sie die Energiedifferenzen zwischen \(n=2\) (erster angeregter Zustand) und \(n=1\) (Grundzustand) sowie zwischen \(n=7\) und \(n=1\).
4.2 In welchem Spektralbereich liegt die Lyman-Serie?
4.3 Kann ein einzelnes Photon, das in der ersten und/oder sechsten Linie der Lyman-Serie emittiert wird, Folgendes ionisieren:
a) ein anderes Wasserstoffatom im Grundzustand?
b) ein Kupferatom im \(\ce{Cu}\)-Kristall?
Die Austrittsarbeit der Elektronen aus \(\ce{Cu}\) beträgt \(\Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}\).
4.4 Berechnen Sie die De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen, die bei Bestrahlung eines Kupferkristalls mit Photonen der ersten Linie und der sechsten Linie der Lyman-Serie emittiert werden.
\(h=6.6256\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s};\qquad m_e=9.1091\times10^{-31}\ \mathrm{kg};\qquad c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 4.1 \(E_2-E_1=\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\); \(E_7-E_1=\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\).
- 4.2 Im Ultraviolett, genauer im Vakuumultraviolett: etwa \(91.1\)–\(121\ \mathrm{nm}\), wobei \(91.1\ \mathrm{nm}\) die Seriengrenze ist.
- 4.3(a) Keines der beiden Photonen kann ein Wasserstoffatom im Grundzustand ionisieren.
- 4.3(b) Beide Photonen können ein Elektron aus dem Kupferkristall herauslösen.
- 4.4 Erste Linie: \(\boxed{\lambda_e=5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.520\ \mathrm{nm}}\). Sechste Linie: \(\boxed{\lambda_e=4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.416\ \mathrm{nm}}\). Diese Werte entsprechen den Photoelektronen mit maximaler Energie.
Lösung
4.1 — Energiedifferenzen
Für ein angeregtes Niveau \(n\) beträgt die Energie relativ zum Grundzustand
\[ \Delta E_{n,1}=E_n-E_1 =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac{1}{n^2}\right)\ \mathrm{J}. \]
Damit gilt
\[ \Delta E_{2,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac14\right) =1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}, \]
und
\[ \Delta E_{7,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac1{49}\right) =2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}. \]
Diese positiven Energiedifferenzen sind gleich den Energien der Photonen, die bei den Übergängen auf das niedrigere Niveau emittiert werden. Die Energieänderungen des Atoms bei der Emission haben das entgegengesetzte Vorzeichen.
4.2 — Spektralbereich der Lyman-Serie
Die Lyman-Serie besteht aus Übergängen von \(n=2,3,\ldots\) nach \(n=1\). Ihre erste Linie entspricht daher \(2\to1\) und ihre sechste Linie \(7\to1\).
Mit \(E_\gamma=hc/\lambda_\gamma\) ergibt sich die längste Wellenlänge für die erste Linie:
\[ \lambda_{\gamma,1} =\frac{(6.6256\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {1.635\times10^{-18}} =1.21486\ldots\times10^{-7}\ \mathrm{m} \approx121\ \mathrm{nm}. \]
Für \(n\to\infty\) nähert sich die Photonenenergie dem Wert \(2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\), woraus sich die kurzwellige Grenze ergibt:
\[ \lambda_{\mathrm{limit}} =\frac{hc}{2.18\times10^{-18}} =9.11148\ldots\times10^{-8}\ \mathrm{m} \approx91.1\ \mathrm{nm}. \]
Die gesamte Serie liegt somit im Ultraviolett, genauer im Vakuumultraviolettbereich.
4.3 — Können die Photonen eine Ionisation bewirken?
(a) Wasserstoff im Grundzustand
Für die Ionisation muss das Elektron von \(E_1=-2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\) in das Kontinuum bei der Energie null angehoben werden. Die erforderliche Energie beträgt daher
\[ E_{\mathrm{ion}}=0-E_1=2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}. \]
Beide Photonenenergien sind kleiner:
\[ E_{\gamma,1}=1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}, \]
\[ E_{\gamma,6}=2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}. \]
Folglich kann keines der beiden Photonen ein Wasserstoffatom im Grundzustand ionisieren. Sie können es auf das entsprechende gebundene Niveau anregen.
(b) Kupferkristall
Für die Elektronenemission aus dem Kupferkristall ist die Austrittsarbeit die maßgebliche Energieschwelle:
\[ \Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
Da
\[ E_{\gamma,1}>\Phi_{\ce{Cu}} \qquad\text{und}\qquad E_{\gamma,6}>\Phi_{\ce{Cu}}, \]
können beide Photonen durch den photoelektrischen Effekt ein Elektron herauslösen. Die angegebene Austrittsarbeit beschreibt das Herauslösen eines Elektrons aus dem Festkörper.
4.4 — De-Broglie-Wellenlängen der emittierten Elektronen
Die Gleichung für den photoelektrischen Effekt liefert die maximale kinetische Energie:
\[ K_{\max}=E_\gamma-\Phi_{\ce{Cu}}. \]
Für ein nichtrelativistisches Elektron gilt
\[ K=\frac{p^2}{2m_e}, \qquad \lambda_e=\frac{h}{p} =\frac{h}{\sqrt{2m_eK}}. \]
Bei Bestrahlung mit der ersten Lyman-Linie gilt
\[ K_{\max,1} =1.635\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =8.91\times10^{-19}\ \mathrm{J}, \]
also
\[ \lambda_{e,1} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(8.91\times10^{-19})}} =\boxed{5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
Bei Bestrahlung mit der sechsten Lyman-Linie ergibt sich unter Beibehaltung ungerundeter Zwischenwerte
\[ K_{\max,6} =2.135510\ldots\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =1.391510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}, \]
und
\[ \lambda_{e,6} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(1.391510\ldots\times10^{-18})}} =\boxed{4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
Dies sind die minimalen De-Broglie-Wellenlängen, die den maximalen kinetischen Energien entsprechen. Photoelektronen, die mit geringerer kinetischer Energie emittiert werden, haben längere Wellenlängen.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1991 · Teori sorusu 4
Hidrojen atomunun enerji düzeyleri, Lyman serisi ve fotoelektrik etki
Hidrojen atomunun kararlı durumlarının enerjisi şu bağıntıyla verilir: \(E_n=-2.18\times10^{-18}/n^2\ [\mathrm{J}]\)
Burada \(n\), baş kuantum sayısını belirtir.
4.1 \(n=2\) (birinci uyarılmış durum) ile \(n=1\) (temel durum) arasındaki ve \(n=7\) ile \(n=1\) arasındaki enerji farklarını hesaplayınız.
4.2 Lyman serisi spektrumun hangi bölgesinde yer alır?
4.3 Lyman serisinin birinci ve/veya altıncı çizgisinde yayımlanan tek bir foton aşağıdakileri iyonlaştırabilir mi?
a) temel durumdaki başka bir hidrojen atomunu?
b) \(\ce{Cu}\) kristalindeki bir bakır atomunu?
\(\ce{Cu}\) için elektron çıkarma işi \(\Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}\) değerindedir.
4.4 Lyman serisinin birinci ve altıncı çizgilerinden gelen fotonlarla ışınlanan bir bakır kristalinden yayımlanan elektronların de Broglie dalga boylarını hesaplayınız.
\(h=6.6256\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s};\qquad m_e=9.1091\times10^{-31}\ \mathrm{kg};\qquad c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 4.1 \(E_2-E_1=\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\); \(E_7-E_1=\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\).
- 4.2 Morötesi, daha özel olarak vakum morötesi bölgesi: yaklaşık \(91.1\)–\(121\ \mathrm{nm}\); seri sınırı \(91.1\ \mathrm{nm}\) değerindedir.
- 4.3(a) Fotonların hiçbiri temel durumdaki bir hidrojen atomunu iyonlaştıramaz.
- 4.3(b) Fotonların her ikisi de bakır kristalinden bir elektron koparabilir.
- 4.4 Birinci çizgi: \(\boxed{\lambda_e=5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.520\ \mathrm{nm}}\). Altıncı çizgi: \(\boxed{\lambda_e=4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.416\ \mathrm{nm}}\). Bunlar, maksimum enerjili fotoelektronlara karşılık gelir.
Çözüm
4.1 — Enerji farkları
Uyarılmış bir \(n\) düzeyinin temel duruma göre enerji farkı
\[ \Delta E_{n,1}=E_n-E_1 =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac{1}{n^2}\right)\ \mathrm{J}. \]
Böylece,
\[ \Delta E_{2,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac14\right) =1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}, \]
ve
\[ \Delta E_{7,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac1{49}\right) =2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}. \]
Bu pozitif enerji farkları, daha düşük enerji düzeylerine geçişlerde yayımlanan fotonların enerjilerine eşittir. Yayım sırasında atomun enerji değişimleri ters işaretlidir.
4.2 — Lyman serisinin spektral bölgesi
Lyman serisi, \(n=2,3,\ldots\) düzeylerinden \(n=1\) düzeyine geçişlerden oluşur. Dolayısıyla birinci çizgisi \(2\to1\), altıncı çizgisi ise \(7\to1\) geçişidir.
\(E_\gamma=hc/\lambda_\gamma\) bağıntısı kullanıldığında, en uzun dalga boyunun birinci çizgiye ait olduğu görülür:
\[ \lambda_{\gamma,1} =\frac{(6.6256\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {1.635\times10^{-18}} =1.21486\ldots\times10^{-7}\ \mathrm{m} \approx121\ \mathrm{nm}. \]
\(n\to\infty\) iken foton enerjisi \(2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\) değerine yaklaşır ve kısa dalga boyu sınırını verir:
\[ \lambda_{\mathrm{limit}} =\frac{hc}{2.18\times10^{-18}} =9.11148\ldots\times10^{-8}\ \mathrm{m} \approx91.1\ \mathrm{nm}. \]
Dolayısıyla serinin tamamı morötesi bölgede, daha özel olarak vakum morötesi bölgesinde yer alır.
4.3 — Fotonlar iyonlaşmaya yol açabilir mi?
(a) Temel durumdaki hidrojen
İyonlaşma, elektronun \(E_1=-2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\) düzeyinden sıfır enerjideki sürekli spektruma çıkarılmasını gerektirir. Dolayısıyla gerekli enerji
\[ E_{\mathrm{ion}}=0-E_1=2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}. \]
Her iki fotonun enerjisi de bundan küçüktür:
\[ E_{\gamma,1}=1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}, \]
\[ E_{\gamma,6}=2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}. \]
Sonuç olarak, fotonların hiçbiri temel durumdaki bir hidrojen atomunu iyonlaştıramaz. Atomu, karşılık gelen bağlı enerji düzeyine uyarabilirler.
(b) Bakır kristali
Bakır kristalinden elektron yayımı için ilgili eşik, elektron çıkarma işidir:
\[ \Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
Şu eşitsizlikler sağlandığından,
\[ E_{\gamma,1}>\Phi_{\ce{Cu}} \qquad\text{ve}\qquad E_{\gamma,6}>\Phi_{\ce{Cu}}, \]
her iki foton da fotoelektrik etki yoluyla bir elektron koparabilir. Verilen elektron çıkarma işi, katıdan elektron uzaklaştırılmasını tanımlar.
4.4 — Yayımlanan elektronların de Broglie dalga boyları
Fotoelektrik denklem, maksimum kinetik enerjiyi verir:
\[ K_{\max}=E_\gamma-\Phi_{\ce{Cu}}. \]
Göreli olmayan bir elektron için,
\[ K=\frac{p^2}{2m_e}, \qquad \lambda_e=\frac{h}{p} =\frac{h}{\sqrt{2m_eK}}. \]
Birinci Lyman çizgisi ile ışınlama için,
\[ K_{\max,1} =1.635\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =8.91\times10^{-19}\ \mathrm{J}, \]
dolayısıyla
\[ \lambda_{e,1} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(8.91\times10^{-19})}} =\boxed{5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
Altıncı Lyman çizgisi ile ışınlama için, ara değerler yuvarlanmadan kullanıldığında,
\[ K_{\max,6} =2.135510\ldots\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =1.391510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}, \]
ve
\[ \lambda_{e,6} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(1.391510\ldots\times10^{-18})}} =\boxed{4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
Bunlar, maksimum kinetik enerjilere karşılık gelen minimum de Broglie dalga boylarıdır. Daha düşük kinetik enerjiyle yayımlanan fotoelektronların dalga boyları daha uzundur.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1991 · Problema teórico 4
Niveles de energía del átomo de hidrógeno, serie de Lyman y efecto fotoeléctrico
La energía de los estados estables del átomo de hidrógeno viene dada por: \(E_n=-2.18\times10^{-18}/n^2\ [\mathrm{J}]\)
donde \(n\) representa el número cuántico principal.
4.1 Calcule las diferencias de energía entre \(n=2\) (primer estado excitado) y \(n=1\) (estado fundamental) y entre \(n=7\) y \(n=1\).
4.2 ¿En qué región del espectro se encuentra la serie de Lyman?
4.3 ¿Puede un solo fotón, emitido en la primera y/o en la sexta línea de la serie de Lyman, ionizar:
a) otro átomo de hidrógeno en su estado fundamental?
b) un átomo de cobre en el cristal de \(\ce{Cu}\)?
El trabajo de extracción de electrones del \(\ce{Cu}\) es \(\Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}\).
4.4 Calcule la longitud de onda de de Broglie de los electrones emitidos por un cristal de cobre cuando se irradia con fotones de la primera línea y de la sexta línea de la serie de Lyman.
\(h=6.6256\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s};\qquad m_e=9.1091\times10^{-31}\ \mathrm{kg};\qquad c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 4.1 \(E_2-E_1=\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\); \(E_7-E_1=\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\).
- 4.2 El ultravioleta, concretamente el ultravioleta de vacío: aproximadamente \(91.1\)–\(121\ \mathrm{nm}\), siendo \(91.1\ \mathrm{nm}\) el límite de la serie.
- 4.3(a) Ninguno de los dos fotones puede ionizar un átomo de hidrógeno en su estado fundamental.
- 4.3(b) Ambos fotones pueden arrancar un electrón del cristal de cobre.
- 4.4 Primera línea: \(\boxed{\lambda_e=5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.520\ \mathrm{nm}}\). Sexta línea: \(\boxed{\lambda_e=4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.416\ \mathrm{nm}}\). Estos valores corresponden a los fotoelectrones de máxima energía.
Solución
4.1 — Diferencias de energía
Para un nivel excitado \(n\), su energía por encima del estado fundamental es
\[ \Delta E_{n,1}=E_n-E_1 =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac{1}{n^2}\right)\ \mathrm{J}. \]
Por tanto,
\[ \Delta E_{2,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac14\right) =1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}, \]
y
\[ \Delta E_{7,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac1{49}\right) =2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}. \]
Estas diferencias de energía positivas son iguales a las energías de los fotones emitidos en las transiciones a niveles inferiores. Las variaciones de energía del átomo durante la emisión tienen el signo opuesto.
4.2 — Región espectral de la serie de Lyman
La serie de Lyman está formada por transiciones desde \(n=2,3,\ldots\) hasta \(n=1\). Su primera línea es, por tanto, \(2\to1\), y su sexta línea es \(7\to1\).
Usando \(E_\gamma=hc/\lambda_\gamma\), la longitud de onda más larga es la de la primera línea:
\[ \lambda_{\gamma,1} =\frac{(6.6256\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {1.635\times10^{-18}} =1.21486\ldots\times10^{-7}\ \mathrm{m} \approx121\ \mathrm{nm}. \]
Cuando \(n\to\infty\), la energía del fotón se aproxima a \(2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\), lo que da el límite de longitud de onda corta:
\[ \lambda_{\mathrm{limit}} =\frac{hc}{2.18\times10^{-18}} =9.11148\ldots\times10^{-8}\ \mathrm{m} \approx91.1\ \mathrm{nm}. \]
Por tanto, toda la serie se encuentra en el ultravioleta, concretamente en la región del ultravioleta de vacío.
4.3 — ¿Pueden los fotones provocar ionización?
(a) Hidrógeno en el estado fundamental
La ionización requiere elevar el electrón desde \(E_1=-2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\) hasta el continuo de energía cero. Por tanto, la energía necesaria es
\[ E_{\mathrm{ion}}=0-E_1=2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}. \]
Las energías de ambos fotones son menores:
\[ E_{\gamma,1}=1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}, \]
\[ E_{\gamma,6}=2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}. \]
En consecuencia, ninguno de los dos fotones puede ionizar un átomo de hidrógeno en su estado fundamental. Pueden excitarlo hasta el nivel ligado correspondiente.
(b) Cristal de cobre
Para la emisión de electrones del cristal de cobre, el umbral pertinente es el trabajo de extracción:
\[ \Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
Como
\[ E_{\gamma,1}>\Phi_{\ce{Cu}} \qquad\text{y}\qquad E_{\gamma,6}>\Phi_{\ce{Cu}}, \]
ambos fotones pueden arrancar un electrón mediante el efecto fotoeléctrico. El trabajo de extracción proporcionado describe la extracción de electrones del sólido.
4.4 — Longitudes de onda de de Broglie de los electrones emitidos
La ecuación fotoeléctrica da la energía cinética máxima:
\[ K_{\max}=E_\gamma-\Phi_{\ce{Cu}}. \]
Para un electrón no relativista,
\[ K=\frac{p^2}{2m_e}, \qquad \lambda_e=\frac{h}{p} =\frac{h}{\sqrt{2m_eK}}. \]
Para la irradiación con la primera línea de Lyman,
\[ K_{\max,1} =1.635\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =8.91\times10^{-19}\ \mathrm{J}, \]
por lo que
\[ \lambda_{e,1} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(8.91\times10^{-19})}} =\boxed{5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
Para la irradiación con la sexta línea de Lyman, conservando los valores intermedios sin redondear,
\[ K_{\max,6} =2.135510\ldots\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =1.391510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}, \]
y
\[ \lambda_{e,6} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(1.391510\ldots\times10^{-18})}} =\boxed{4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
Estas son las longitudes de onda mínimas de de Broglie, correspondientes a las energías cinéticas máximas. Los fotoelectrones emitidos con menor energía cinética tienen longitudes de onda más largas.
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1991 · 理论题 4
氢原子能级、莱曼系与光电效应
氢原子各定态的能量由下式给出:\(E_n=-2.18\times10^{-18}/n^2\ [\mathrm{J}]\)
其中,\(n\) 表示主量子数。
4.1 计算 \(n=2\)(第一激发态)与 \(n=1\)(基态)之间以及 \(n=7\) 与 \(n=1\) 之间的能量差。
4.2 莱曼系位于哪个光谱区域?
4.3 莱曼系第一条和/或第六条谱线所发射的单个光子能否使下列原子电离:
a) 另一个处于基态的氢原子?
b) \(\ce{Cu}\) 晶体中的一个铜原子?
\(\ce{Cu}\) 的电子逸出功为 \(\Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}\)。
4.4 计算铜晶体受到莱曼系第一条和第六条谱线的光子照射时,所发射电子的德布罗意波长。
\(h=6.6256\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s};\qquad m_e=9.1091\times10^{-31}\ \mathrm{kg};\qquad c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)
题目译自官方英文原文。
答案
- 4.1 \(E_2-E_1=\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\);\(E_7-E_1=\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\)。
- 4.2 紫外区,具体为真空紫外区:约为 \(91.1\)–\(121\ \mathrm{nm}\),其中 \(91.1\ \mathrm{nm}\) 为谱系限。
- 4.3(a) 两种光子均不能使基态氢原子电离。
- 4.3(b) 两种光子均能使铜晶体逸出一个电子。
- 4.4 第一条谱线:\(\boxed{\lambda_e=5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.520\ \mathrm{nm}}\)。第六条谱线:\(\boxed{\lambda_e=4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.416\ \mathrm{nm}}\)。这些波长对应于能量最大的光电子。
解答
4.1 — 能量差
对于激发能级 \(n\),其高于基态的能量为
\[ \Delta E_{n,1}=E_n-E_1 =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac{1}{n^2}\right)\ \mathrm{J}. \]
因此,
\[ \Delta E_{2,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac14\right) =1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}, \]
以及
\[ \Delta E_{7,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac1{49}\right) =2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}. \]
这些正的能量差等于向低能级跃迁时所发射光子的能量。发射过程中原子的能量变化与之符号相反。
4.2 — 莱曼系的光谱范围
莱曼系由从 \(n=2,3,\ldots\) 到 \(n=1\) 的跃迁组成。因此,其第一条谱线为 \(2\to1\),第六条谱线为 \(7\to1\)。
利用 \(E_\gamma=hc/\lambda_\gamma\),可知波长最长的是第一条谱线:
\[ \lambda_{\gamma,1} =\frac{(6.6256\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {1.635\times10^{-18}} =1.21486\ldots\times10^{-7}\ \mathrm{m} \approx121\ \mathrm{nm}. \]
当 \(n\to\infty\) 时,光子能量趋于 \(2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\),由此得到短波长极限:
\[ \lambda_{\mathrm{limit}} =\frac{hc}{2.18\times10^{-18}} =9.11148\ldots\times10^{-8}\ \mathrm{m} \approx91.1\ \mathrm{nm}. \]
因此,整个谱系均位于紫外区,具体为真空紫外区。
4.3 — 这些光子能否引起电离?
(a) 基态氢原子
电离需要将电子从 \(E_1=-2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\) 提升至能量为零的连续态。因此,所需能量为
\[ E_{\mathrm{ion}}=0-E_1=2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}. \]
两种光子的能量均小于此值:
\[ E_{\gamma,1}=1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}, \]
\[ E_{\gamma,6}=2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}. \]
所以,两种光子均不能使基态氢原子电离。它们可以将氢原子激发至相应的束缚能级。
(b) 铜晶体
对于铜晶体的电子发射,相关的阈值是逸出功:
\[ \Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
由于
\[ E_{\gamma,1}>\Phi_{\ce{Cu}} \qquad\text{且}\qquad E_{\gamma,6}>\Phi_{\ce{Cu}}, \]
两种光子均能通过光电效应使电子逸出。题目给出的逸出功描述的是从固体中移出电子所需的能量。
4.4 — 发射电子的德布罗意波长
光电效应方程给出最大动能:
\[ K_{\max}=E_\gamma-\Phi_{\ce{Cu}}. \]
对于非相对论性电子,
\[ K=\frac{p^2}{2m_e}, \qquad \lambda_e=\frac{h}{p} =\frac{h}{\sqrt{2m_eK}}. \]
在莱曼系第一条谱线的光照射下,
\[ K_{\max,1} =1.635\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =8.91\times10^{-19}\ \mathrm{J}, \]
所以
\[ \lambda_{e,1} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(8.91\times10^{-19})}} =\boxed{5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
在莱曼系第六条谱线的光照射下,保留未经舍入的中间值,
\[ K_{\max,6} =2.135510\ldots\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =1.391510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}, \]
以及
\[ \lambda_{e,6} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(1.391510\ldots\times10^{-18})}} =\boxed{4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
这些是对应于最大动能的最小德布罗意波长。发射时动能较小的光电子具有更长的波长。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1991 · Теоретическая задача 4
Энергетические уровни атома водорода, серия Лаймана и фотоэффект
Энергия стационарных состояний атома водорода задаётся выражением: \(E_n=-2.18\times10^{-18}/n^2\ [\mathrm{J}]\)
где \(n\) обозначает главное квантовое число.
4.1 Вычислите разности энергий между \(n=2\) (первое возбуждённое состояние) и \(n=1\) (основное состояние), а также между \(n=7\) и \(n=1\).
4.2 В какой области спектра находится серия Лаймана?
4.3 Может ли один фотон, испущенный в первой и/или шестой линии серии Лаймана, ионизировать:
a) другой атом водорода в основном состоянии?
b) атом меди в кристалле \(\ce{Cu}\)?
Работа выхода электрона из \(\ce{Cu}\) составляет \(\Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}\).
4.4 Вычислите длины волн де Бройля электронов, испускаемых кристаллом меди при облучении фотонами первой и шестой линий серии Лаймана.
\(h=6.6256\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s};\qquad m_e=9.1091\times10^{-31}\ \mathrm{kg};\qquad c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 4.1 \(E_2-E_1=\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\); \(E_7-E_1=\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\).
- 4.2 Ультрафиолетовая область, а именно вакуумный ультрафиолет: приблизительно \(91.1\)–\(121\ \mathrm{nm}\), причём \(91.1\ \mathrm{nm}\) — граница серии.
- 4.3(a) Ни один из этих фотонов не может ионизировать атом водорода в основном состоянии.
- 4.3(b) Оба фотона могут выбить электрон из кристалла меди.
- 4.4 Первая линия: \(\boxed{\lambda_e=5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.520\ \mathrm{nm}}\). Шестая линия: \(\boxed{\lambda_e=4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.416\ \mathrm{nm}}\). Эти значения соответствуют фотоэлектронам с максимальной энергией.
Решение
4.1 — Разности энергий
Для возбуждённого уровня \(n\) превышение его энергии над энергией основного состояния составляет
\[ \Delta E_{n,1}=E_n-E_1 =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac{1}{n^2}\right)\ \mathrm{J}. \]
Таким образом,
\[ \Delta E_{2,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac14\right) =1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}, \]
а
\[ \Delta E_{7,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac1{49}\right) =2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}. \]
Эти положительные разности энергий равны энергиям фотонов, испускаемых при переходах на нижний уровень. Изменения энергии атома при испускании имеют противоположный знак.
4.2 — Спектральная область серии Лаймана
Серия Лаймана состоит из переходов с \(n=2,3,\ldots\) на \(n=1\). Следовательно, её первая линия соответствует переходу \(2\to1\), а шестая — переходу \(7\to1\).
Используя \(E_\gamma=hc/\lambda_\gamma\), находим, что наибольшая длина волны соответствует первой линии:
\[ \lambda_{\gamma,1} =\frac{(6.6256\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {1.635\times10^{-18}} =1.21486\ldots\times10^{-7}\ \mathrm{m} \approx121\ \mathrm{nm}. \]
При \(n\to\infty\) энергия фотона стремится к \(2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\), что даёт коротковолновую границу:
\[ \lambda_{\mathrm{limit}} =\frac{hc}{2.18\times10^{-18}} =9.11148\ldots\times10^{-8}\ \mathrm{m} \approx91.1\ \mathrm{nm}. \]
Таким образом, вся серия лежит в ультрафиолетовой области, а именно в области вакуумного ультрафиолета.
4.3 — Могут ли фотоны вызвать ионизацию?
(a) Водород в основном состоянии
Для ионизации необходимо перевести электрон с уровня \(E_1=-2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\) в непрерывный спектр при нулевой энергии. Следовательно, необходимая энергия равна
\[ E_{\mathrm{ion}}=0-E_1=2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}. \]
Энергии обоих фотонов меньше этой величины:
\[ E_{\gamma,1}=1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}, \]
\[ E_{\gamma,6}=2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}. \]
Следовательно, ни один из этих фотонов не может ионизировать атом водорода в основном состоянии. Они могут возбудить его до соответствующего связанного уровня.
(b) Кристалл меди
Для испускания электрона из кристалла меди пороговая энергия определяется работой выхода:
\[ \Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
Поскольку
\[ E_{\gamma,1}>\Phi_{\ce{Cu}} \qquad\text{и}\qquad E_{\gamma,6}>\Phi_{\ce{Cu}}, \]
оба фотона могут выбить электрон в результате фотоэффекта. Приведённая работа выхода характеризует удаление электрона из твёрдого тела.
4.4 — Длины волн де Бройля испущенных электронов
Уравнение фотоэффекта даёт максимальную кинетическую энергию:
\[ K_{\max}=E_\gamma-\Phi_{\ce{Cu}}. \]
Для нерелятивистского электрона
\[ K=\frac{p^2}{2m_e}, \qquad \lambda_e=\frac{h}{p} =\frac{h}{\sqrt{2m_eK}}. \]
При облучении излучением первой линии Лаймана
\[ K_{\max,1} =1.635\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =8.91\times10^{-19}\ \mathrm{J}, \]
поэтому
\[ \lambda_{e,1} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(8.91\times10^{-19})}} =\boxed{5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
При облучении излучением шестой линии Лаймана, сохраняя неокруглённые промежуточные значения, получаем
\[ K_{\max,6} =2.135510\ldots\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =1.391510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}, \]
и
\[ \lambda_{e,6} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(1.391510\ldots\times10^{-18})}} =\boxed{4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
Это минимальные длины волн де Бройля, соответствующие максимальным кинетическим энергиям. Фотоэлектроны, испускаемые с меньшей кинетической энергией, имеют бо́льшие длины волн.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1991 · مسألة نظرية 4
مستويات طاقة ذرة الهيدروجين وسلسلة ليمان والتأثير الكهروضوئي
تُعطى طاقة الحالات المستقرة لذرة الهيدروجين بالعلاقة: \(E_n=-2.18\times10^{-18}/n^2\ [\mathrm{J}]\)
حيث يشير \(n\) إلى عدد الكم الرئيسي.
4.1 احسب فرق الطاقة بين \(n=2\) (الحالة المثارة الأولى) و\(n=1\) (الحالة الأرضية)، وبين \(n=7\) و\(n=1\).
4.2 في أي نطاق طيفي تقع سلسلة ليمان؟
4.3 هل يستطيع فوتون واحد، منبعث في الخط الأول و/أو السادس من سلسلة ليمان، أن يؤيّن:
a) ذرة هيدروجين أخرى في حالتها الأرضية؟
b) ذرة نحاس في بلورة \(\ce{Cu}\)؟
دالة الشغل للإلكترون في \(\ce{Cu}\) هي \(\Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}\).
4.4 احسب طول موجة دي برولي للإلكترونات المنبعثة من بلورة نحاس عند تعريضها لفوتونات الخط الأول والخط السادس من سلسلة ليمان.
\(h=6.6256\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s};\qquad m_e=9.1091\times10^{-31}\ \mathrm{kg};\qquad c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 4.1 \(E_2-E_1=\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\)؛ \(E_7-E_1=\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}\).
- 4.2 نطاق الأشعة فوق البنفسجية، وتحديدًا الأشعة فوق البنفسجية الفراغية: من \(91.1\) إلى \(121\ \mathrm{nm}\) تقريبًا، حيث يمثّل \(91.1\ \mathrm{nm}\) حد السلسلة.
- 4.3(a) لا يستطيع أيٌّ من الفوتونين تأيين ذرة هيدروجين في حالتها الأرضية.
- 4.3(b) يستطيع كلا الفوتونين تحرير إلكترون من بلورة النحاس.
- 4.4 الخط الأول: \(\boxed{\lambda_e=5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.520\ \mathrm{nm}}\). الخط السادس: \(\boxed{\lambda_e=4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}=0.416\ \mathrm{nm}}\). تقابل هذه القيم الإلكترونات الضوئية ذات الطاقة القصوى.
الحل
4.1 — فروق الطاقة
بالنسبة إلى مستوى مثار \(n\)، فإن طاقته بالنسبة إلى الحالة الأرضية هي
\[ \Delta E_{n,1}=E_n-E_1 =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac{1}{n^2}\right)\ \mathrm{J}. \]
إذن،
\[ \Delta E_{2,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac14\right) =1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{1.64\times10^{-18}\ \mathrm{J}}, \]
و
\[ \Delta E_{7,1} =2.18\times10^{-18}\left(1-\frac1{49}\right) =2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J} \approx\boxed{2.14\times10^{-18}\ \mathrm{J}}. \]
تساوي فروق الطاقة الموجبة هذه طاقات الفوتونات المنبعثة في الانتقالات إلى المستويات الأدنى. وتكون تغيّرات طاقة الذرة أثناء الانبعاث ذات إشارة معاكسة.
4.2 — النطاق الطيفي لسلسلة ليمان
تتكوّن سلسلة ليمان من الانتقالات من \(n=2,3,\ldots\) إلى \(n=1\). ولذلك فإن خطها الأول هو \(2\to1\)، وخطها السادس هو \(7\to1\).
باستخدام \(E_\gamma=hc/\lambda_\gamma\)، يكون أطول طول موجي هو طول موجة الخط الأول:
\[ \lambda_{\gamma,1} =\frac{(6.6256\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {1.635\times10^{-18}} =1.21486\ldots\times10^{-7}\ \mathrm{m} \approx121\ \mathrm{nm}. \]
عندما \(n\to\infty\)، تقترب طاقة الفوتون من \(2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\)، مما يعطي الحد عند الأطوال الموجية القصيرة:
\[ \lambda_{\mathrm{limit}} =\frac{hc}{2.18\times10^{-18}} =9.11148\ldots\times10^{-8}\ \mathrm{m} \approx91.1\ \mathrm{nm}. \]
إذن، تقع السلسلة بأكملها في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، وتحديدًا في منطقة الأشعة فوق البنفسجية الفراغية.
4.3 — هل تستطيع الفوتونات إحداث التأيّن؟
(a) الهيدروجين في الحالة الأرضية
يتطلّب التأيّن رفع الإلكترون من \(E_1=-2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}\) إلى متصل الحالات عند طاقة تساوي صفرًا. ولذلك فإن الطاقة اللازمة هي
\[ E_{\mathrm{ion}}=0-E_1=2.18\times10^{-18}\ \mathrm{J}. \]
طاقة كلٍّ من الفوتونين أقل من ذلك:
\[ E_{\gamma,1}=1.635\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}, \]
\[ E_{\gamma,6}=2.135510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}<E_{\mathrm{ion}}. \]
وعليه، لا يستطيع أيٌّ من الفوتونين تأيين ذرة هيدروجين في حالتها الأرضية. ويمكن لكلٍّ منهما إثارتها إلى المستوى المقيّد الموافق.
(b) بلورة النحاس
بالنسبة إلى انبعاث الإلكترونات من بلورة النحاس، فإن العتبة ذات الصلة هي دالة الشغل:
\[ \Phi_{\ce{Cu}}=7.44\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
بما أن
\[ E_{\gamma,1}>\Phi_{\ce{Cu}} \qquad\text{و}\qquad E_{\gamma,6}>\Phi_{\ce{Cu}}, \]
فإن كلا الفوتونين يستطيع تحرير إلكترون بالتأثير الكهروضوئي. وتصف دالة الشغل المعطاة انتزاع إلكترون من المادة الصلبة.
4.4 — أطوال موجات دي برولي للإلكترونات المنبعثة
تعطي معادلة التأثير الكهروضوئي الطاقة الحركية القصوى:
\[ K_{\max}=E_\gamma-\Phi_{\ce{Cu}}. \]
بالنسبة إلى إلكترون غير نسبي،
\[ K=\frac{p^2}{2m_e}, \qquad \lambda_e=\frac{h}{p} =\frac{h}{\sqrt{2m_eK}}. \]
عند التشعيع بـخط ليمان الأول،
\[ K_{\max,1} =1.635\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =8.91\times10^{-19}\ \mathrm{J}, \]
ومن ثم
\[ \lambda_{e,1} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(8.91\times10^{-19})}} =\boxed{5.20\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
عند التشعيع بـخط ليمان السادس، مع الاحتفاظ بالقيم الوسيطة دون تقريب،
\[ K_{\max,6} =2.135510\ldots\times10^{-18}-7.44\times10^{-19} =1.391510\ldots\times10^{-18}\ \mathrm{J}, \]
و
\[ \lambda_{e,6} =\frac{6.6256\times10^{-34}} {\sqrt{2(9.1091\times10^{-31})(1.391510\ldots\times10^{-18})}} =\boxed{4.16\times10^{-10}\ \mathrm{m}}. \]
هذه هي أطوال موجات دي برولي الدنيا، وهي تقابل الطاقات الحركية القصوى. أما الإلكترونات الضوئية المنبعثة بطاقة حركية أقل، فتكون أطوال موجاتها أكبر.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.