IChO 2006 · Theory problem 2
Detection of hydrogen
Hydrogen is prevalent in the universe. Life in the universe is ultimately based on hydrogen.
2.1 There are about \(1\times10^{23}\) stars in the universe. Assume that they are like our sun (radius, 700,000 km; density, \(1.4\ \mathrm{g\ cm^{-3}}\); 3/4 hydrogen and 1/4 helium by mass). Estimate the number of stellar protons in the universe to one significant figure.
In the 1920s Cecilia Payne discovered by spectral analysis of starlight that hydrogen is the most abundant element in most stars.
2.2 The electronic transition of a hydrogen atom is governed by \(\Delta E(n_i\to n_f) =\)
\(= -C(1/n_f^2-1/n_i^2)\), where \(n\) is principle quantum number, and \(C\) is a constant. For detection of the \(\Delta E(3\to2)\) transition (656.3 nm in the Balmer series), the electron in the ground state of the hydrogen atom needs to be excited first to the \(n=2\) state. Calculate the wavelength (in nm) of the absorption line in the starlight corresponding to the \(\Delta E(1\to2)\) transition.
2.3 According to Wien's law, the wavelength (\(\lambda\)) corresponding to the maximum light intensity emitted from a blackbody at temperature \(T\) is given by \(\lambda T=2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\ K}\). Calculate the surface temperature of a star whose blackbody radiation has a peak intensity corresponding to the \(n=1\to n=2\) excitation of hydrogen.
The ground state of hydrogen is split into two hyperfine levels due to the interaction between the magnetic moment of the proton and that of the electron. In 1951, Purcell discovered a spectral line at 1420 MHz due to the hyperfine transition of hydrogen in interstellar space.
2.4 Hydrogen in interstellar space cannot be excited electronically by starlight. However, the cosmic background radiation, equivalent to 2.7 K, can cause the hyperfine transition. Calculate the temperature of a blackbody whose peak intensity corresponds to the 1420 MHz transition.
2.5 Wien generated hydrogen ions by discharge of hydrogen gas at a very low pressure and determined the \(e/m\) value, which turned out to be the highest among different gases tested. In 1919, Rutherford bombarded nitrogen with alpha-particles and observed emission of a positively charged particle which turned out to be the hydrogen ion observed by Wien. Rutherford named this particle the “proton”. Fill in the blank.
\(\underline{\hspace{4cm}}\)
Official English text of the problem.
Answers
- 2.1: \(\boxed{1\times10^{80}\text{ stellar protons}}\), including protons within helium nuclei.
- 2.2: \(\boxed{121.5\ \mathrm{nm}}\), the Lyman-\(\alpha\) absorption wavelength.
- 2.3: \(\boxed{2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}\).
- 2.4: \(\boxed{1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}\), using the supplied wavelength form of Wien’s law.
- 2.5: \(\boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}\). The emitted particle is a proton, the hydrogen-1 cation,
[1H+].
Solution
2.1
For this estimate, take hydrogen to be hydrogen-1 and helium to be helium-4, with molar masses approximately \(1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) and \(4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), respectively. Use \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\).
The radius of each star is
\[ R=700{,}000\ \mathrm{km}=7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm}. \]
Its mass is therefore
\[ \begin{aligned} M_\star &=\rho\frac{4\pi R^3}{3}\\ &=(1.4\ \mathrm{g\,cm^{-3}}) \frac{4\pi}{3}(7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm})^3\\ &=2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Each hydrogen nucleus contains one proton, and each helium nucleus contains two. Thus the number of protons per star is
\[ \begin{aligned} N_{p,\star} &= \frac{(3/4)M_\star}{1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A} + 2\frac{(1/4)M_\star}{4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A}\\ &= (2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}) \left(0.75+0.125\right) \frac{6.022\times10^{23}}{\mathrm{g}}\\ &=1.060\times10^{57}. \end{aligned} \]
Multiplying by the number of stars gives
\[ N_{p,\mathrm{universe}} =(1\times10^{23})(1.060\times10^{57}) =1.060\times10^{80}. \]
To one significant figure,
\[ \boxed{N_{p,\mathrm{universe}}=1\times10^{80}}. \]
2.2
The energy change of the atom in the \(3\to2\) emission transition is
\[ \Delta E_{3\to2} =-C\left(\frac14-\frac19\right) =-\frac{5C}{36}. \]
The emitted photon therefore has positive energy
\[ \frac{hc}{\lambda_{32}}=\frac{5C}{36}. \]
For absorption from \(n=1\) to \(n=2\),
\[ \Delta E_{1\to2} =-C\left(\frac14-1\right) =\frac{3C}{4} =\frac{hc}{\lambda_{12}}. \]
Taking the ratio eliminates \(h\), \(c\), and \(C\):
\[ \frac{\lambda_{32}}{\lambda_{12}} =\frac{3/4}{5/36} =\frac{27}{5}. \]
Hence
\[ \lambda_{12} =\frac{5}{27}(656.3\ \mathrm{nm}) =121.537\ldots\ \mathrm{nm}, \]
so
\[ \boxed{\lambda_{12}=121.5\ \mathrm{nm}}. \]
This is the Lyman-\(\alpha\) line in the ultraviolet.
2.3
Using the wavelength found in 2.2 and the supplied Wien constant,
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {121.537\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =2.3861\times10^{4}\ \mathrm{K}. \]
The Wien constant has two significant figures, giving
\[ \boxed{T=2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}. \]
2.4
First convert the transition frequency to a wavelength, using \(c=2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\):
\[ \nu=1420\ \mathrm{MHz}=1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda=\frac{c}{\nu} =\frac{2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}} {1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}} =0.2111\ \mathrm{m}. \]
This is the approximately \(21\ \mathrm{cm}\) hydrogen line. Applying the wavelength form of Wien’s law supplied in 2.3,
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {0.2111\ \mathrm{m}} =1.374\times10^{-2}\ \mathrm{K}. \]
Therefore,
\[ \boxed{T=1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}. \]
The \(2.7\ \mathrm{K}\) background can still supply photons at this frequency because a blackbody emits over a continuous range of wavelengths.
2.5
The incident alpha-particle is a helium-4 nucleus, [4He+2]. The emitted proton is a hydrogen-1 cation, [1H+].
Taking the nitrogen target to be nitrogen-14, write the reaction with an unknown residual nucleus:
\[ \ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{A}_{Z}X + ^{1}_{1}H}. \]
Conservation of nucleon number gives
\[ 14+4=A+1 \quad\Rightarrow\quad A=17. \]
Conservation of nuclear charge gives
\[ 7+2=Z+1 \quad\Rightarrow\quad Z=8. \]
Atomic number 8 identifies oxygen, so the residual nucleus is oxygen-17. The completed reaction is
\[ \boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}. \]
Both sides contain 18 nucleons and total nuclear charge \(+9e\). The equation describes a nuclear transformation; electron shells and chemical bonding are not specified.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2006 · Theorieaufgabe 2
Nachweis von Wasserstoff
Wasserstoff ist im Universum weit verbreitet. Das Leben im Universum beruht letztlich auf Wasserstoff.
2.1 Im Universum gibt es etwa \(1\times10^{23}\) Sterne. Nehmen Sie an, dass sie unserer Sonne gleichen (Radius: 700.000 km; Dichte: \(1.4\ \mathrm{g\ cm^{-3}}\); Massenanteile: 3/4 Wasserstoff und 1/4 Helium). Schätzen Sie die Anzahl der Protonen in den Sternen des Universums auf eine signifikante Stelle.
In den 1920er-Jahren entdeckte Cecilia Payne durch Spektralanalyse des Sternenlichts, dass Wasserstoff in den meisten Sternen das häufigste Element ist.
2.2 Für den elektronischen Übergang eines Wasserstoffatoms gilt \(\Delta E(n_i\to n_f) =\)
\(= -C(1/n_f^2-1/n_i^2)\), wobei \(n\) die Hauptquantenzahl und \(C\) eine Konstante ist. Zum Nachweis des Übergangs \(\Delta E(3\to2)\) (656,3 nm in der Balmer-Serie) muss das Elektron im Grundzustand des Wasserstoffatoms zunächst in den Zustand \(n=2\) angeregt werden. Berechnen Sie die Wellenlänge (in nm) der Absorptionslinie im Sternenlicht, die dem Übergang \(\Delta E(1\to2)\) entspricht.
2.3 Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz ist die Wellenlänge (\(\lambda\)), bei der die von einem schwarzen Körper bei der Temperatur \(T\) emittierte Lichtintensität maximal ist, durch \(\lambda T=2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\ K}\) gegeben. Berechnen Sie die Oberflächentemperatur eines Sterns, dessen Schwarzkörperstrahlung ihr Intensitätsmaximum bei der Wellenlänge hat, die der Anregung \(n=1\to n=2\) von Wasserstoff entspricht.
Der Grundzustand von Wasserstoff ist aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Moment des Protons und dem des Elektrons in zwei Hyperfeinniveaus aufgespalten. Im Jahr 1951 entdeckte Purcell eine Spektrallinie bei 1420 MHz, die auf den Hyperfeinübergang von Wasserstoff im interstellaren Raum zurückzuführen ist.
2.4 Wasserstoff im interstellaren Raum kann durch Sternenlicht nicht elektronisch angeregt werden. Die kosmische Hintergrundstrahlung, die einer Temperatur von 2,7 K entspricht, kann jedoch den Hyperfeinübergang auslösen. Berechnen Sie die Temperatur eines schwarzen Körpers, dessen Intensitätsmaximum dem Übergang bei 1420 MHz entspricht.
2.5 Wien erzeugte Wasserstoffionen durch eine elektrische Entladung in Wasserstoffgas bei sehr niedrigem Druck und bestimmte den \(e/m\)-Wert, der sich als der höchste unter den verschiedenen untersuchten Gasen erwies. Im Jahr 1919 beschoss Rutherford Stickstoff mit Alphateilchen und beobachtete die Emission eines positiv geladenen Teilchens, das sich als das von Wien beobachtete Wasserstoffion erwies. Rutherford nannte dieses Teilchen „Proton“. Füllen Sie die Lücke aus.
\(\underline{\hspace{4cm}}\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 2.1: \(\boxed{1\times10^{80}\text{ Protonen in Sternen}}\), einschließlich der Protonen in Heliumkernen.
- 2.2: \(\boxed{121.5\ \mathrm{nm}}\), die Absorptionswellenlänge der Lyman-\(\alpha\)-Linie.
- 2.3: \(\boxed{2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}\).
- 2.4: \(\boxed{1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}\), unter Verwendung der angegebenen Wellenlängenform des Wienschen Verschiebungsgesetzes.
- 2.5: \(\boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}\). Das emittierte Teilchen ist ein Proton, das Wasserstoff-1-Kation,
[1H+].
Lösung
2.1
Für diese Abschätzung werden Wasserstoff als Wasserstoff-1 und Helium als Helium-4 mit molaren Massen von näherungsweise \(1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) bzw. \(4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) angenommen. Verwenden Sie \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\).
Der Radius jedes Sterns beträgt
\[ R=700{,}000\ \mathrm{km}=7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm}. \]
Seine Masse beträgt daher
\[ \begin{aligned} M_\star &=\rho\frac{4\pi R^3}{3}\\ &=(1.4\ \mathrm{g\,cm^{-3}}) \frac{4\pi}{3}(7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm})^3\\ &=2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Jeder Wasserstoffkern enthält ein Proton, jeder Heliumkern zwei. Somit beträgt die Anzahl der Protonen pro Stern
\[ \begin{aligned} N_{p,\star} &= \frac{(3/4)M_\star}{1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A} + 2\frac{(1/4)M_\star}{4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A}\\ &= (2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}) \left(0.75+0.125\right) \frac{6.022\times10^{23}}{\mathrm{g}}\\ &=1.060\times10^{57}. \end{aligned} \]
Multiplikation mit der Anzahl der Sterne ergibt
\[ N_{p,\mathrm{universe}} =(1\times10^{23})(1.060\times10^{57}) =1.060\times10^{80}. \]
Auf eine signifikante Stelle gerundet ergibt sich
\[ \boxed{N_{p,\mathrm{universe}}=1\times10^{80}}. \]
2.2
Die Energieänderung des Atoms beim Emissionsübergang \(3\to2\) beträgt
\[ \Delta E_{3\to2} =-C\left(\frac14-\frac19\right) =-\frac{5C}{36}. \]
Das emittierte Photon besitzt daher die positive Energie
\[ \frac{hc}{\lambda_{32}}=\frac{5C}{36}. \]
Für die Absorption von \(n=1\) nach \(n=2\) gilt
\[ \Delta E_{1\to2} =-C\left(\frac14-1\right) =\frac{3C}{4} =\frac{hc}{\lambda_{12}}. \]
Durch Bildung des Verhältnisses fallen \(h\), \(c\) und \(C\) heraus:
\[ \frac{\lambda_{32}}{\lambda_{12}} =\frac{3/4}{5/36} =\frac{27}{5}. \]
Daraus folgt
\[ \lambda_{12} =\frac{5}{27}(656.3\ \mathrm{nm}) =121.537\ldots\ \mathrm{nm}, \]
also
\[ \boxed{\lambda_{12}=121.5\ \mathrm{nm}}. \]
Dies ist die Lyman-\(\alpha\)-Linie im ultravioletten Bereich.
2.3
Mit der in 2.2 ermittelten Wellenlänge und der angegebenen Wienschen Konstante ergibt sich
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {121.537\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =2.3861\times10^{4}\ \mathrm{K}. \]
Die Wiensche Konstante ist mit zwei signifikanten Stellen angegeben, sodass sich ergibt:
\[ \boxed{T=2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}. \]
2.4
Zunächst wird die Übergangsfrequenz unter Verwendung von \(c=2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) in eine Wellenlänge umgerechnet:
\[ \nu=1420\ \mathrm{MHz}=1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda=\frac{c}{\nu} =\frac{2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}} {1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}} =0.2111\ \mathrm{m}. \]
Dies ist die Wasserstofflinie bei etwa \(21\ \mathrm{cm}\). Die Anwendung der in 2.3 angegebenen Wellenlängenform des Wienschen Verschiebungsgesetzes ergibt
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {0.2111\ \mathrm{m}} =1.374\times10^{-2}\ \mathrm{K}. \]
Somit gilt
\[ \boxed{T=1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}. \]
Die Hintergrundstrahlung bei \(2.7\ \mathrm{K}\) kann dennoch Photonen dieser Frequenz liefern, da ein schwarzer Körper über einen kontinuierlichen Wellenlängenbereich emittiert.
2.5
Das einfallende Alphateilchen ist ein Helium-4-Kern, [4He+2]. Das emittierte Proton ist ein Wasserstoff-1-Kation, [1H+].
Unter der Annahme, dass das Stickstofftarget aus Stickstoff-14 besteht, wird die Reaktion mit einem unbekannten Restkern formuliert:
\[ \ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{A}_{Z}X + ^{1}_{1}H}. \]
Aus der Erhaltung der Nukleonenzahl folgt
\[ 14+4=A+1 \quad\Rightarrow\quad A=17. \]
Aus der Erhaltung der Kernladung folgt
\[ 7+2=Z+1 \quad\Rightarrow\quad Z=8. \]
Die Ordnungszahl 8 entspricht Sauerstoff, sodass der Restkern Sauerstoff-17 ist. Die vollständige Reaktionsgleichung lautet
\[ \boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}. \]
Beide Seiten enthalten 18 Nukleonen und eine Gesamtkernladung von \(+9e\). Die Gleichung beschreibt eine Kernumwandlung; Elektronenhüllen und chemische Bindungen sind nicht angegeben.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2006 · Teori sorusu 2
Hidrojenin saptanması
Hidrojen evrende yaygın olarak bulunur. Evrendeki yaşamın temelinde hidrojen vardır.
2.1 Evrende yaklaşık \(1\times10^{23}\) yıldız vardır. Bunların Güneşimiz gibi olduğunu varsayın (yarıçap, 700,000 km; yoğunluk, \(1.4\ \mathrm{g\ cm^{-3}}\); kütlece 3/4 hidrojen ve 1/4 helyum). Evrendeki yıldızlarda bulunan protonların sayısını bir anlamlı basamakla tahmin edin.
1920'lerde Cecilia Payne, yıldız ışığının spektral analiziyle hidrojenin çoğu yıldızda en bol bulunan element olduğunu keşfetti.
2.2 Bir hidrojen atomunun elektronik geçişi \(\Delta E(n_i\to n_f) =\)
\(= -C(1/n_f^2-1/n_i^2)\) bağıntısıyla belirlenir; burada \(n\) baş kuantum sayısı, \(C\) ise bir sabittir. \(\Delta E(3\to2)\) geçişinin (Balmer serisinde 656.3 nm) saptanabilmesi için hidrojen atomunun temel hâldeki elektronunun önce \(n=2\) hâline uyarılması gerekir. Yıldız ışığında \(\Delta E(1\to2)\) geçişine karşılık gelen soğurma çizgisinin dalga boyunu (nm cinsinden) hesaplayın.
2.3 Wien yasasına göre, \(T\) sıcaklığındaki bir kara cismin yaydığı ışığın şiddetinin en yüksek olduğu dalga boyu (\(\lambda\)), \(\lambda T=2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\ K}\) bağıntısıyla verilir. Kara cisim ışımasının şiddetinin en yüksek olduğu dalga boyu, hidrojenin \(n=1\to n=2\) uyarılmasına karşılık gelen bir yıldızın yüzey sıcaklığını hesaplayın.
Hidrojenin temel hâli, protonun manyetik momenti ile elektronun manyetik momenti arasındaki etkileşim nedeniyle iki aşırı ince düzeye ayrılır. Purcell, 1951'de yıldızlararası uzaydaki hidrojenin aşırı ince geçişinden kaynaklanan 1420 MHz frekansında bir spektral çizgi keşfetti.
2.4 Yıldızlararası uzaydaki hidrojen, yıldız ışığıyla elektronik olarak uyarılamaz. Ancak 2.7 K sıcaklığa karşılık gelen kozmik arka plan ışıması, aşırı ince geçişe neden olabilir. Işıma şiddetinin en yüksek olduğu dalga boyu 1420 MHz frekansındaki geçişe karşılık gelen bir kara cismin sıcaklığını hesaplayın.
2.5 Wien, çok düşük basınçtaki hidrojen gazında elektrik boşalması yoluyla hidrojen iyonları üretti ve \(e/m\) değerini belirledi; bu değer, denenen farklı gazlar arasında en yüksek değerdi. Rutherford, 1919'da azotu alfa parçacıklarıyla bombardıman etti ve pozitif yüklü bir parçacığın yayımlandığını gözlemledi; bu parçacığın, Wien'in gözlemlediği hidrojen iyonu olduğu ortaya çıktı. Rutherford bu parçacığa “proton” adını verdi. Boşluğu doldurun.
\(\underline{\hspace{4cm}}\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 2.1: Helyum çekirdeklerindeki protonlar da dâhil olmak üzere \(\boxed{1\times10^{80}\text{ yıldızlardaki proton}}\).
- 2.2: \(\boxed{121.5\ \mathrm{nm}}\), Lyman-\(\alpha\) soğurma dalga boyu.
- 2.3: \(\boxed{2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}\).
- 2.4: Wien yasasının verilen dalga boyu biçimi kullanıldığında \(\boxed{1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}\).
- 2.5: \(\boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}\). Yayımlanan parçacık bir protondur; yani hidrojen-1 katyonudur,
[1H+].
Çözüm
2.1
Bu tahmin için hidrojeni hidrojen-1, helyumu ise helyum-4 olarak alın; bunların molar kütleleri sırasıyla yaklaşık \(1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ve \(4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) değerindedir. \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\) değerini kullanın.
Her bir yıldızın yarıçapı
\[ R=700{,}000\ \mathrm{km}=7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm}. \]
Buna göre kütlesi
\[ \begin{aligned} M_\star &=\rho\frac{4\pi R^3}{3}\\ &=(1.4\ \mathrm{g\,cm^{-3}}) \frac{4\pi}{3}(7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm})^3\\ &=2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Her hidrojen çekirdeği bir proton, her helyum çekirdeği ise iki proton içerir. Dolayısıyla yıldız başına proton sayısı
\[ \begin{aligned} N_{p,\star} &= \frac{(3/4)M_\star}{1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A} + 2\frac{(1/4)M_\star}{4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A}\\ &= (2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}) \left(0.75+0.125\right) \frac{6.022\times10^{23}}{\mathrm{g}}\\ &=1.060\times10^{57}. \end{aligned} \]
Yıldız sayısıyla çarpıldığında
\[ N_{p,\mathrm{universe}} =(1\times10^{23})(1.060\times10^{57}) =1.060\times10^{80}. \]
Bir anlamlı basamakla,
\[ \boxed{N_{p,\mathrm{universe}}=1\times10^{80}}. \]
2.2
\(3\to2\) yayım geçişinde atomun enerji değişimi
\[ \Delta E_{3\to2} =-C\left(\frac14-\frac19\right) =-\frac{5C}{36}. \]
Dolayısıyla yayımlanan fotonun enerjisi pozitiftir:
\[ \frac{hc}{\lambda_{32}}=\frac{5C}{36}. \]
\(n=1\) düzeyinden \(n=2\) düzeyine soğurma için,
\[ \Delta E_{1\to2} =-C\left(\frac14-1\right) =\frac{3C}{4} =\frac{hc}{\lambda_{12}}. \]
Oran alındığında \(h\), \(c\) ve \(C\) sadeleşir:
\[ \frac{\lambda_{32}}{\lambda_{12}} =\frac{3/4}{5/36} =\frac{27}{5}. \]
Böylece
\[ \lambda_{12} =\frac{5}{27}(656.3\ \mathrm{nm}) =121.537\ldots\ \mathrm{nm}, \]
dolayısıyla
\[ \boxed{\lambda_{12}=121.5\ \mathrm{nm}}. \]
Bu, morötesi bölgedeki Lyman-\(\alpha\) çizgisidir.
2.3
2.2'de bulunan dalga boyu ve verilen Wien sabiti kullanıldığında,
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {121.537\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =2.3861\times10^{4}\ \mathrm{K}. \]
Wien sabiti iki anlamlı basamakla verildiğinden,
\[ \boxed{T=2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}. \]
2.4
Önce \(c=2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) değerini kullanarak geçiş frekansını dalga boyuna dönüştürelim:
\[ \nu=1420\ \mathrm{MHz}=1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda=\frac{c}{\nu} =\frac{2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}} {1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}} =0.2111\ \mathrm{m}. \]
Bu, yaklaşık \(21\ \mathrm{cm}\) dalga boyundaki hidrojen çizgisidir. Wien yasasının 2.3'te verilen dalga boyu biçimi uygulandığında,
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {0.2111\ \mathrm{m}} =1.374\times10^{-2}\ \mathrm{K}. \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{T=1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}. \]
Bir kara cisim kesintisiz bir dalga boyu aralığında ışıma yaptığından, \(2.7\ \mathrm{K}\) sıcaklığındaki arka plan yine de bu frekansta foton sağlayabilir.
2.5
Gelen alfa parçacığı bir helyum-4 çekirdeğidir, [4He+2]. Yayımlanan proton bir hidrojen-1 katyonudur, [1H+].
Azot hedefini azot-14 kabul ederek tepkimeyi, geride kalan çekirdeği bilinmeyen olarak yazalım:
\[ \ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{A}_{Z}X + ^{1}_{1}H}. \]
Nükleon sayısının korunumu şu sonucu verir:
\[ 14+4=A+1 \quad\Rightarrow\quad A=17. \]
Çekirdek yükünün korunumu şu sonucu verir:
\[ 7+2=Z+1 \quad\Rightarrow\quad Z=8. \]
Atom numarası 8 olan element oksijendir; dolayısıyla geride kalan çekirdek oksijen-17'dir. Tamamlanmış tepkime şöyledir:
\[ \boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}. \]
Her iki tarafta da 18 nükleon bulunur ve toplam çekirdek yükü \(+9e\) değerindedir. Denklem bir çekirdek dönüşümünü betimler; elektron kabukları ve kimyasal bağlanma belirtilmemiştir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2006 · Problema teórico 2
Detección del hidrógeno
El hidrógeno está muy extendido en el universo. La vida en el universo se basa, en última instancia, en el hidrógeno.
2.1 Hay aproximadamente \(1\times10^{23}\) estrellas en el universo. Suponga que son como nuestro Sol (radio, 700,000 km; densidad, \(1.4\ \mathrm{g\ cm^{-3}}\); 3/4 de hidrógeno y 1/4 de helio en masa). Estime el número de protones estelares en el universo con una cifra significativa.
En la década de 1920, Cecilia Payne descubrió mediante el análisis espectral de la luz estelar que el hidrógeno es el elemento más abundante en la mayoría de las estrellas.
2.2 La transición electrónica de un átomo de hidrógeno se rige por \(\Delta E(n_i\to n_f) =\)
\(= -C(1/n_f^2-1/n_i^2)\), donde \(n\) es el número cuántico principal y \(C\) es una constante. Para detectar la transición \(\Delta E(3\to2)\) (656.3 nm en la serie de Balmer), primero es necesario excitar el electrón del átomo de hidrógeno desde el estado fundamental hasta el estado \(n=2\). Calcule la longitud de onda (en nm) de la línea de absorción en la luz estelar correspondiente a la transición \(\Delta E(1\to2)\).
2.3 Según la ley de Wien, la longitud de onda (\(\lambda\)) correspondiente a la intensidad máxima de la luz emitida por un cuerpo negro a una temperatura \(T\) viene dada por \(\lambda T=2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\ K}\). Calcule la temperatura superficial de una estrella cuya radiación de cuerpo negro presenta un máximo de intensidad correspondiente a la excitación \(n=1\to n=2\) del hidrógeno.
El estado fundamental del hidrógeno se desdobla en dos niveles hiperfinos debido a la interacción entre el momento magnético del protón y el del electrón. En 1951, Purcell descubrió una línea espectral a 1420 MHz debida a la transición hiperfina del hidrógeno en el espacio interestelar.
2.4 El hidrógeno en el espacio interestelar no puede ser excitado electrónicamente por la luz estelar. Sin embargo, la radiación cósmica de fondo, equivalente a 2.7 K, puede provocar la transición hiperfina. Calcule la temperatura de un cuerpo negro cuyo máximo de intensidad corresponde a la transición de 1420 MHz.
2.5 Wien generó iones de hidrógeno mediante una descarga en hidrógeno gaseoso a muy baja presión y determinó el valor de \(e/m\), que resultó ser el más alto entre los distintos gases ensayados. En 1919, Rutherford bombardeó nitrógeno con partículas alfa y observó la emisión de una partícula con carga positiva que resultó ser el ion de hidrógeno observado por Wien. Rutherford denominó a esta partícula «protón». Complete el espacio en blanco.
\(\underline{\hspace{4cm}}\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 2.1: \(\boxed{1\times10^{80}\text{ protones estelares}}\), incluidos los protones de los núcleos de helio.
- 2.2: \(\boxed{121.5\ \mathrm{nm}}\), la longitud de onda de absorción Lyman-\(\alpha\).
- 2.3: \(\boxed{2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}\).
- 2.4: \(\boxed{1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}\), utilizando la forma de la ley de Wien en función de la longitud de onda que se proporciona.
- 2.5: \(\boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}\). La partícula emitida es un protón, el catión hidrógeno-1,
[1H+].
Solución
2.1
Para esta estimación, considere que el hidrógeno es hidrógeno-1 y el helio es helio-4, con masas molares de aproximadamente \(1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) y \(4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), respectivamente. Utilice \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\).
El radio de cada estrella es
\[ R=700{,}000\ \mathrm{km}=7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm}. \]
Por tanto, su masa es
\[ \begin{aligned} M_\star &=\rho\frac{4\pi R^3}{3}\\ &=(1.4\ \mathrm{g\,cm^{-3}}) \frac{4\pi}{3}(7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm})^3\\ &=2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Cada núcleo de hidrógeno contiene un protón y cada núcleo de helio contiene dos. Así, el número de protones por estrella es
\[ \begin{aligned} N_{p,\star} &= \frac{(3/4)M_\star}{1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A} + 2\frac{(1/4)M_\star}{4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A}\\ &= (2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}) \left(0.75+0.125\right) \frac{6.022\times10^{23}}{\mathrm{g}}\\ &=1.060\times10^{57}. \end{aligned} \]
Al multiplicar por el número de estrellas se obtiene
\[ N_{p,\mathrm{universe}} =(1\times10^{23})(1.060\times10^{57}) =1.060\times10^{80}. \]
Con una cifra significativa,
\[ \boxed{N_{p,\mathrm{universe}}=1\times10^{80}}. \]
2.2
La variación de energía del átomo en la transición de emisión \(3\to2\) es
\[ \Delta E_{3\to2} =-C\left(\frac14-\frac19\right) =-\frac{5C}{36}. \]
Por tanto, el fotón emitido tiene una energía positiva
\[ \frac{hc}{\lambda_{32}}=\frac{5C}{36}. \]
Para la absorción desde \(n=1\) hasta \(n=2\),
\[ \Delta E_{1\to2} =-C\left(\frac14-1\right) =\frac{3C}{4} =\frac{hc}{\lambda_{12}}. \]
Al tomar el cociente se eliminan \(h\), \(c\) y \(C\):
\[ \frac{\lambda_{32}}{\lambda_{12}} =\frac{3/4}{5/36} =\frac{27}{5}. \]
Por consiguiente,
\[ \lambda_{12} =\frac{5}{27}(656.3\ \mathrm{nm}) =121.537\ldots\ \mathrm{nm}, \]
de modo que
\[ \boxed{\lambda_{12}=121.5\ \mathrm{nm}}. \]
Esta es la línea Lyman-\(\alpha\) en el ultravioleta.
2.3
Utilizando la longitud de onda obtenida en 2.2 y la constante de Wien proporcionada,
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {121.537\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =2.3861\times10^{4}\ \mathrm{K}. \]
La constante de Wien tiene dos cifras significativas, por lo que se obtiene
\[ \boxed{T=2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}. \]
2.4
Primero convierta la frecuencia de la transición en una longitud de onda, utilizando \(c=2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\):
\[ \nu=1420\ \mathrm{MHz}=1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda=\frac{c}{\nu} =\frac{2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}} {1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}} =0.2111\ \mathrm{m}. \]
Esta es la línea del hidrógeno de aproximadamente \(21\ \mathrm{cm}\). Aplicando la forma de la ley de Wien en función de la longitud de onda proporcionada en 2.3,
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {0.2111\ \mathrm{m}} =1.374\times10^{-2}\ \mathrm{K}. \]
Por tanto,
\[ \boxed{T=1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}. \]
La radiación de fondo de \(2.7\ \mathrm{K}\) puede, aun así, proporcionar fotones a esta frecuencia porque un cuerpo negro emite en un intervalo continuo de longitudes de onda.
2.5
La partícula alfa incidente es un núcleo de helio-4, [4He+2]. El protón emitido es un catión hidrógeno-1, [1H+].
Considerando que el blanco de nitrógeno es nitrógeno-14, escriba la reacción con un núcleo residual desconocido:
\[ \ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{A}_{Z}X + ^{1}_{1}H}. \]
La conservación del número de nucleones da
\[ 14+4=A+1 \quad\Rightarrow\quad A=17. \]
La conservación de la carga nuclear da
\[ 7+2=Z+1 \quad\Rightarrow\quad Z=8. \]
El número atómico 8 identifica al oxígeno, por lo que el núcleo residual es oxígeno-17. La reacción completa es
\[ \boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}. \]
Ambos miembros contienen 18 nucleones y una carga nuclear total de \(+9e\). La ecuación describe una transformación nuclear; no se especifican las capas electrónicas ni los enlaces químicos.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2006 · 理论题 2
氢的探测
氢广泛存在于宇宙中。宇宙中的生命归根结底以氢为基础。
2.1 宇宙中大约有 \(1\times10^{23}\) 颗恒星。假设它们与我们的太阳相似(半径为 700,000 km;密度为 \(1.4\ \mathrm{g\ cm^{-3}}\);按质量计,3/4 为氢,1/4 为氦)。估算宇宙中恒星所含的质子总数,结果保留一位有效数字。
20 世纪 20 年代,塞西莉亚·佩恩通过对星光进行光谱分析,发现氢是大多数恒星中含量最丰富的元素。
2.2 氢原子的电子跃迁遵循关系式 \(\Delta E(n_i\to n_f) =\)
\(= -C(1/n_f^2-1/n_i^2)\),其中 \(n\) 为主量子数,\(C\) 为常数。要探测 \(\Delta E(3\to2)\) 跃迁(巴耳末系中波长为 656.3 nm 的谱线),需要先将氢原子基态的电子激发至 \(n=2\) 态。计算星光中对应于 \(\Delta E(1\to2)\) 跃迁的吸收线波长(以 nm 为单位)。
2.3 根据维恩定律,温度为 \(T\) 的黑体所发射的光强最大处对应的波长(\(\lambda\))由 \(\lambda T=2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\ K}\) 给出。若一颗恒星的黑体辐射强度峰值对应于氢的 \(n=1\to n=2\) 激发,计算该恒星的表面温度。
由于质子磁矩与电子磁矩之间的相互作用,氢的基态分裂为两个超精细能级。1951 年,珀塞尔发现了一条频率为 1420 MHz 的谱线,它源于星际空间中氢的超精细跃迁。
2.4 星际空间中的氢无法被星光激发而发生电子跃迁。然而,相当于 2.7 K 的宇宙背景辐射能够引起超精细跃迁。计算辐射强度峰值对应于 1420 MHz 跃迁的黑体温度。
2.5 维恩通过在极低压下使氢气放电产生氢离子,并测定了其 \(e/m\) 值,结果发现该值在所测试的各种气体中最高。1919 年,卢瑟福用 α 粒子轰击氮,观察到有带正电的粒子放出,这种粒子正是维恩所观察到的氢离子。卢瑟福将这种粒子命名为“质子”。填空。
\(\underline{\hspace{4cm}}\)
题目译自官方英文原文。
答案
- 2.1: \(\boxed{1\times10^{80}\text{ 个恒星中的质子}}\),包括氦核内的质子。
- 2.2: \(\boxed{121.5\ \mathrm{nm}}\),即莱曼-\(\alpha\) 吸收线的波长。
- 2.3: \(\boxed{2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}\)。
- 2.4: \(\boxed{1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}\),使用题目给出的波长形式的维恩定律。
- 2.5: \(\boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}\)。放出的粒子是质子,即氢-1 阳离子,
[1H+]。
解答
2.1
在这一估算中,将氢视为氢-1、氦视为氦-4,其摩尔质量分别约为 \(1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 和 \(4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。取 \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)。
每颗恒星的半径为
\[ R=700{,}000\ \mathrm{km}=7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm}. \]
因此,其质量为
\[ \begin{aligned} M_\star &=\rho\frac{4\pi R^3}{3}\\ &=(1.4\ \mathrm{g\,cm^{-3}}) \frac{4\pi}{3}(7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm})^3\\ &=2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
每个氢核含有一个质子,每个氦核含有两个质子。因此,每颗恒星所含的质子数为
\[ \begin{aligned} N_{p,\star} &= \frac{(3/4)M_\star}{1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A} + 2\frac{(1/4)M_\star}{4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A}\\ &= (2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}) \left(0.75+0.125\right) \frac{6.022\times10^{23}}{\mathrm{g}}\\ &=1.060\times10^{57}. \end{aligned} \]
乘以恒星的数量,得到
\[ N_{p,\mathrm{universe}} =(1\times10^{23})(1.060\times10^{57}) =1.060\times10^{80}. \]
保留一位有效数字,得
\[ \boxed{N_{p,\mathrm{universe}}=1\times10^{80}}. \]
2.2
原子在 \(3\to2\) 发射跃迁中的能量变化为
\[ \Delta E_{3\to2} =-C\left(\frac14-\frac19\right) =-\frac{5C}{36}. \]
因此,发射出的光子具有正的能量
\[ \frac{hc}{\lambda_{32}}=\frac{5C}{36}. \]
对于从 \(n=1\) 到 \(n=2\) 的吸收跃迁,
\[ \Delta E_{1\to2} =-C\left(\frac14-1\right) =\frac{3C}{4} =\frac{hc}{\lambda_{12}}. \]
取比值可消去 \(h\)、\(c\) 和 \(C\):
\[ \frac{\lambda_{32}}{\lambda_{12}} =\frac{3/4}{5/36} =\frac{27}{5}. \]
于是
\[ \lambda_{12} =\frac{5}{27}(656.3\ \mathrm{nm}) =121.537\ldots\ \mathrm{nm}, \]
所以
\[ \boxed{\lambda_{12}=121.5\ \mathrm{nm}}. \]
这是位于紫外区的莱曼-\(\alpha\) 线。
2.3
使用 2.2 中求得的波长和题目给出的维恩常数,
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {121.537\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =2.3861\times10^{4}\ \mathrm{K}. \]
维恩常数有两位有效数字,因此
\[ \boxed{T=2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}. \]
2.4
首先使用 \(c=2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 将跃迁频率换算为波长:
\[ \nu=1420\ \mathrm{MHz}=1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda=\frac{c}{\nu} =\frac{2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}} {1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}} =0.2111\ \mathrm{m}. \]
这就是波长约为 \(21\ \mathrm{cm}\) 的氢谱线。应用 2.3 中给出的波长形式的维恩定律,
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {0.2111\ \mathrm{m}} =1.374\times10^{-2}\ \mathrm{K}. \]
因此,
\[ \boxed{T=1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}. \]
\(2.7\ \mathrm{K}\) 的背景辐射仍能提供这一频率的光子,因为黑体在连续的波长范围内发射辐射。
2.5
入射的 α 粒子是氦-4 原子核,[4He+2]。放出的质子是氢-1 阳离子,[1H+]。
将氮靶视为氮-14,以未知剩余核表示反应产物,写出反应式:
\[ \ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{A}_{Z}X + ^{1}_{1}H}. \]
由核子数守恒得
\[ 14+4=A+1 \quad\Rightarrow\quad A=17. \]
由核电荷守恒得
\[ 7+2=Z+1 \quad\Rightarrow\quad Z=8. \]
原子序数为 8 的元素是氧,因此剩余核为氧-17。完整的反应式为
\[ \boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}. \]
反应式两侧均含有 18 个核子,核电荷总量均为 \(+9e\)。该方程式描述的是核转变;并未指明电子层结构和化学成键情况。
解答已与官方解答核对。
IChO 2006 · Теоретическая задача 2
Обнаружение водорода
Водород широко распространён во Вселенной. Жизнь во Вселенной в конечном счёте основана на водороде.
2.1 Во Вселенной насчитывается около \(1\times10^{23}\) звёзд. Предположим, что они подобны нашему Солнцу (радиус — 700 000 км; плотность — \(1.4\ \mathrm{g\ cm^{-3}}\); по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия). Оцените число протонов в звёздах Вселенной с точностью до одной значащей цифры.
В 1920-х годах Сесилия Пейн с помощью спектрального анализа света звёзд обнаружила, что водород является самым распространённым элементом в большинстве звёзд.
2.2 Изменение энергии при электронном переходе в атоме водорода определяется выражением \(\Delta E(n_i\to n_f) =\)
\(= -C(1/n_f^2-1/n_i^2)\), где \(n\) — главное квантовое число, а \(C\) — постоянная. Для обнаружения перехода \(\Delta E(3\to2)\) (656.3 нм в серии Бальмера) электрон атома водорода, находящийся в основном состоянии, необходимо сначала возбудить до состояния \(n=2\). Рассчитайте длину волны (в нм) линии поглощения в свете звёзд, соответствующей переходу \(\Delta E(1\to2)\).
2.3 Согласно закону смещения Вина, длина волны (\(\lambda\)), соответствующая максимальной интенсивности излучения абсолютно чёрного тела при температуре \(T\), определяется соотношением \(\lambda T=2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\ K}\). Рассчитайте температуру поверхности звезды, максимум интенсивности чернотельного излучения которой соответствует возбуждению водорода \(n=1\to n=2\).
Основное состояние водорода расщеплено на два сверхтонких уровня вследствие взаимодействия магнитных моментов протона и электрона. В 1951 году Парселл обнаружил спектральную линию на частоте 1420 МГц, обусловленную сверхтонким переходом водорода в межзвёздном пространстве.
2.4 Свет звёзд не может вызвать электронное возбуждение водорода в межзвёздном пространстве. Однако реликтовое излучение, соответствующее температуре 2.7 К, может вызвать сверхтонкий переход. Рассчитайте температуру абсолютно чёрного тела, максимум интенсивности излучения которого соответствует переходу с частотой 1420 МГц.
2.5 Вин получил ионы водорода с помощью электрического разряда в газообразном водороде при очень низком давлении и определил значение \(e/m\), которое оказалось наибольшим среди различных исследованных газов. В 1919 году Резерфорд бомбардировал азот альфа-частицами и наблюдал испускание положительно заряженной частицы, которая оказалась ионом водорода, наблюдавшимся Вином. Резерфорд назвал эту частицу «протоном». Заполните пропуск.
\(\underline{\hspace{4cm}}\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 2.1: \(\boxed{1\times10^{80}\text{ протонов в звёздах}}\), включая протоны в ядрах гелия.
- 2.2: \(\boxed{121.5\ \mathrm{nm}}\), длина волны поглощения линии Лайман-\(\alpha\).
- 2.3: \(\boxed{2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}\).
- 2.4: \(\boxed{1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}\), при использовании приведённой формы закона смещения Вина для длины волны.
- 2.5: \(\boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}\). Испускаемая частица — протон, катион водорода-1,
[1H+].
Решение
2.1
Для этой оценки примем, что водород представляет собой водород-1, а гелий — гелий-4, с молярными массами приблизительно \(1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) и \(4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) соответственно. Используем \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\).
Радиус каждой звезды равен
\[ R=700{,}000\ \mathrm{km}=7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm}. \]
Следовательно, её масса равна
\[ \begin{aligned} M_\star &=\rho\frac{4\pi R^3}{3}\\ &=(1.4\ \mathrm{g\,cm^{-3}}) \frac{4\pi}{3}(7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm})^3\\ &=2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Каждое ядро водорода содержит один протон, а каждое ядро гелия — два. Поэтому число протонов в одной звезде равно
\[ \begin{aligned} N_{p,\star} &= \frac{(3/4)M_\star}{1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A} + 2\frac{(1/4)M_\star}{4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A}\\ &= (2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}) \left(0.75+0.125\right) \frac{6.022\times10^{23}}{\mathrm{g}}\\ &=1.060\times10^{57}. \end{aligned} \]
Умножая на число звёзд, получаем
\[ N_{p,\mathrm{universe}} =(1\times10^{23})(1.060\times10^{57}) =1.060\times10^{80}. \]
С точностью до одной значащей цифры
\[ \boxed{N_{p,\mathrm{universe}}=1\times10^{80}}. \]
2.2
Изменение энергии атома при переходе \(3\to2\), сопровождающемся испусканием излучения, равно
\[ \Delta E_{3\to2} =-C\left(\frac14-\frac19\right) =-\frac{5C}{36}. \]
Следовательно, испущенный фотон имеет положительную энергию
\[ \frac{hc}{\lambda_{32}}=\frac{5C}{36}. \]
Для поглощения при переходе из \(n=1\) в \(n=2\)
\[ \Delta E_{1\to2} =-C\left(\frac14-1\right) =\frac{3C}{4} =\frac{hc}{\lambda_{12}}. \]
Взяв отношение, исключаем \(h\), \(c\) и \(C\):
\[ \frac{\lambda_{32}}{\lambda_{12}} =\frac{3/4}{5/36} =\frac{27}{5}. \]
Отсюда
\[ \lambda_{12} =\frac{5}{27}(656.3\ \mathrm{nm}) =121.537\ldots\ \mathrm{nm}, \]
так что
\[ \boxed{\lambda_{12}=121.5\ \mathrm{nm}}. \]
Это линия Лайман-\(\alpha\) в ультрафиолетовой области.
2.3
Используя длину волны, найденную в 2.2, и приведённую постоянную Вина, получаем
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {121.537\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =2.3861\times10^{4}\ \mathrm{K}. \]
Постоянная Вина дана с двумя значащими цифрами, поэтому
\[ \boxed{T=2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}. \]
2.4
Сначала пересчитаем частоту перехода в длину волны, используя \(c=2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\):
\[ \nu=1420\ \mathrm{MHz}=1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda=\frac{c}{\nu} =\frac{2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}} {1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}} =0.2111\ \mathrm{m}. \]
Это линия водорода с длиной волны приблизительно \(21\ \mathrm{cm}\). Применяя приведённую в 2.3 форму закона смещения Вина для длины волны, получаем
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {0.2111\ \mathrm{m}} =1.374\times10^{-2}\ \mathrm{K}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{T=1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}. \]
Реликтовое излучение с температурой \(2.7\ \mathrm{K}\) всё же может содержать фотоны этой частоты, поскольку абсолютно чёрное тело излучает в непрерывном диапазоне длин волн.
2.5
Налетающая альфа-частица представляет собой ядро гелия-4, [4He+2]. Испускаемый протон представляет собой катион водорода-1, [1H+].
Принимая, что азотная мишень состоит из азота-14, запишем реакцию с неизвестным остаточным ядром:
\[ \ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{A}_{Z}X + ^{1}_{1}H}. \]
Закон сохранения числа нуклонов даёт
\[ 14+4=A+1 \quad\Rightarrow\quad A=17. \]
Закон сохранения заряда ядер даёт
\[ 7+2=Z+1 \quad\Rightarrow\quad Z=8. \]
Атомный номер 8 соответствует кислороду, поэтому остаточное ядро — кислород-17. Полное уравнение реакции имеет вид
\[ \boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}. \]
В обеих частях уравнения содержится по 18 нуклонов, а суммарный заряд ядер равен \(+9e\). Уравнение описывает ядерное превращение; электронные оболочки и химические связи не указаны.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2006 · مسألة نظرية 2
الكشف عن الهيدروجين
الهيدروجين واسع الانتشار في الكون. وتقوم الحياة في الكون في نهاية المطاف على الهيدروجين.
2.1 يوجد في الكون نحو \(1\times10^{23}\) نجم. افترض أنها تشبه شمسنا (نصف القطر، 700,000 km؛ الكثافة، \(1.4\ \mathrm{g\ cm^{-3}}\)؛ 3/4 هيدروجين و1/4 هيليوم بالكتلة). قدّر عدد البروتونات الموجودة في نجوم الكون إلى رقم معنوي واحد.
في عشرينيات القرن العشرين، اكتشفت سيسيليا باين، من خلال التحليل الطيفي لضوء النجوم، أن الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في معظم النجوم.
2.2 يخضع الانتقال الإلكتروني في ذرة الهيدروجين للعلاقة \(\Delta E(n_i\to n_f) =\)
\(= -C(1/n_f^2-1/n_i^2)\)، حيث \(n\) هو عدد الكم الرئيسي، و\(C\) ثابت. وللكشف عن الانتقال \(\Delta E(3\to2)\) (656.3 nm في سلسلة بالمر)، يجب أولًا إثارة الإلكترون الموجود في الحالة الأرضية لذرة الهيدروجين إلى الحالة \(n=2\). احسب الطول الموجي (بوحدة nm) لخط الامتصاص في ضوء النجوم الموافق للانتقال \(\Delta E(1\to2)\).
2.3 وفقًا لقانون فين، يُعطى الطول الموجي (\(\lambda\)) الموافق لشدة الضوء العظمى المنبعث من جسم أسود عند درجة حرارة \(T\) بالعلاقة \(\lambda T=2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\ K}\). احسب درجة حرارة سطح نجم تبلغ شدة إشعاعه بوصفه جسمًا أسود ذروتها عند الطول الموجي الموافق لإثارة الهيدروجين \(n=1\to n=2\).
تنقسم الحالة الأرضية للهيدروجين إلى مستويين فائقي الدقة بسبب التآثر بين العزم المغناطيسي للبروتون والعزم المغناطيسي للإلكترون. في عام 1951، اكتشف بورسيل خطًا طيفيًا عند 1420 MHz ناتجًا عن الانتقال فائق الدقة للهيدروجين في الفضاء بين النجوم.
2.4 لا يمكن إثارة الهيدروجين في الفضاء بين النجوم إلكترونيًا بواسطة ضوء النجوم. ومع ذلك، يمكن لإشعاع الخلفية الكونية، المكافئ لدرجة حرارة 2.7 K، أن يُحدث الانتقال فائق الدقة. احسب درجة حرارة جسم أسود توافق ذروة شدة إشعاعه الانتقال عند 1420 MHz.
2.5 ولّد فين أيونات الهيدروجين بإحداث تفريغ كهربائي في غاز الهيدروجين عند ضغط منخفض جدًا، وحدّد قيمة \(e/m\)، التي تبيّن أنها الأعلى بين الغازات المختلفة التي اختبرها. في عام 1919، قذف رذرفورد النيتروجين بجسيمات ألفا، ولاحظ انبعاث جسيم موجب الشحنة تبيّن أنه أيون الهيدروجين الذي رصده فين. سمّى رذرفورد هذا الجسيم «البروتون». املأ الفراغ.
\(\underline{\hspace{4cm}}\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 2.1: \(\boxed{1\times10^{80}\text{ بروتون في النجوم}}\)، بما في ذلك البروتونات الموجودة داخل نوى الهيليوم.
- 2.2: \(\boxed{121.5\ \mathrm{nm}}\)، وهو الطول الموجي للامتصاص في خط ليمان-\(\alpha\).
- 2.3: \(\boxed{2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}\).
- 2.4: \(\boxed{1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}\)، باستخدام الصيغة المعطاة لقانون فين بدلالة الطول الموجي.
- 2.5: \(\boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}\). الجسيم المنبعث هو بروتون، أي كاتيون الهيدروجين-1،
[1H+].
الحل
2.1
لإجراء هذا التقدير، اعتبر الهيدروجين هيدروجين-1 والهيليوم هيليوم-4، بكتلتين موليتين تقريبيتين قدرهما \(1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) و\(4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)، على الترتيب. استخدم \(N_{\mathrm A}=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\).
نصف قطر كل نجم هو
\[ R=700{,}000\ \mathrm{km}=7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm}. \]
ومن ثم فإن كتلته هي
\[ \begin{aligned} M_\star &=\rho\frac{4\pi R^3}{3}\\ &=(1.4\ \mathrm{g\,cm^{-3}}) \frac{4\pi}{3}(7.00\times10^{10}\ \mathrm{cm})^3\\ &=2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
تحتوي كل نواة هيدروجين على بروتون واحد، وتحتوي كل نواة هيليوم على بروتونين. لذا فإن عدد البروتونات في كل نجم هو
\[ \begin{aligned} N_{p,\star} &= \frac{(3/4)M_\star}{1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A} + 2\frac{(1/4)M_\star}{4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}N_{\mathrm A}\\ &= (2.011\times10^{33}\ \mathrm{g}) \left(0.75+0.125\right) \frac{6.022\times10^{23}}{\mathrm{g}}\\ &=1.060\times10^{57}. \end{aligned} \]
وبالضرب في عدد النجوم نحصل على
\[ N_{p,\mathrm{universe}} =(1\times10^{23})(1.060\times10^{57}) =1.060\times10^{80}. \]
وبالتقريب إلى رقم معنوي واحد،
\[ \boxed{N_{p,\mathrm{universe}}=1\times10^{80}}. \]
2.2
التغير في طاقة الذرة في انتقال الانبعاث \(3\to2\) هو
\[ \Delta E_{3\to2} =-C\left(\frac14-\frac19\right) =-\frac{5C}{36}. \]
ومن ثم تكون للفوتون المنبعث طاقة موجبة مقدارها
\[ \frac{hc}{\lambda_{32}}=\frac{5C}{36}. \]
أما في الامتصاص من \(n=1\) إلى \(n=2\)،
\[ \Delta E_{1\to2} =-C\left(\frac14-1\right) =\frac{3C}{4} =\frac{hc}{\lambda_{12}}. \]
بأخذ النسبة تُختزل \(h\) و\(c\) و\(C\):
\[ \frac{\lambda_{32}}{\lambda_{12}} =\frac{3/4}{5/36} =\frac{27}{5}. \]
وعليه،
\[ \lambda_{12} =\frac{5}{27}(656.3\ \mathrm{nm}) =121.537\ldots\ \mathrm{nm}, \]
ومن ثم
\[ \boxed{\lambda_{12}=121.5\ \mathrm{nm}}. \]
هذا هو خط ليمان-\(\alpha\) في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.
2.3
باستخدام الطول الموجي الذي أُوجد في 2.2 وثابت فين المعطى،
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {121.537\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =2.3861\times10^{4}\ \mathrm{K}. \]
يحتوي ثابت فين على رقمين معنويين، فنحصل على
\[ \boxed{T=2.4\times10^{4}\ \mathrm{K}}. \]
2.4
حوّل أولًا تردد الانتقال إلى طول موجي، باستخدام \(c=2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\):
\[ \nu=1420\ \mathrm{MHz}=1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}, \]
\[ \lambda=\frac{c}{\nu} =\frac{2.998\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}} {1.420\times10^9\ \mathrm{s^{-1}}} =0.2111\ \mathrm{m}. \]
هذا هو خط الهيدروجين الذي يبلغ طوله الموجي نحو \(21\ \mathrm{cm}\). وبتطبيق صيغة قانون فين بدلالة الطول الموجي المعطاة في 2.3،
\[ T=\frac{2.9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}} {0.2111\ \mathrm{m}} =1.374\times10^{-2}\ \mathrm{K}. \]
إذًا،
\[ \boxed{T=1.4\times10^{-2}\ \mathrm{K}}. \]
يظل بإمكان إشعاع الخلفية عند \(2.7\ \mathrm{K}\) توفير فوتونات بهذا التردد، لأن الجسم الأسود يُصدر إشعاعًا على مدى متصل من الأطوال الموجية.
2.5
جسيم ألفا الساقط هو نواة هيليوم-4، [4He+2]. والبروتون المنبعث هو كاتيون هيدروجين-1، [1H+].
باعتبار هدف النيتروجين نيتروجين-14، نكتب التفاعل مع نواة متبقية مجهولة:
\[ \ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{A}_{Z}X + ^{1}_{1}H}. \]
يعطي انحفاظ عدد النوكليونات
\[ 14+4=A+1 \quad\Rightarrow\quad A=17. \]
ويعطي انحفاظ الشحنة النووية
\[ 7+2=Z+1 \quad\Rightarrow\quad Z=8. \]
العدد الذري 8 يخص الأكسجين، لذا فإن النواة المتبقية هي الأكسجين-17. والتفاعل المكتمل هو
\[ \boxed{\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}}. \]
يحتوي كلا الطرفين على 18 نوكليونًا وشحنة نووية كلية مقدارها \(+9e\). تصف المعادلة تحولًا نوويًا؛ ولا تحدّد الأغلفة الإلكترونية أو الروابط الكيميائية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.