Vanden ¡Bout/LaBrake/Crawford ¡ CH301 ¡ Why ¡are ¡there ¡no ¡blue ¡fireworks? ¡ LIGHT, ¡ELECTRONS ¡& ¡QUANTUM ¡ MODEL ¡ UNIT ¡2 ¡Day ¡2 ¡ CH302 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Important ¡InformaQon ¡ ¡ EXAM ¡GRADES ¡WERE ¡GREAT! ¡ EXAM ¡WRAPPER ¡– ¡QUEST ¡LM ¡– ¡BONUS ¡POINTS ¡ ¡ LM12 ¡& ¡13 ¡due ¡today ¡9AM ¡ HW04 ¡due ¡today ¡9AM ¡ ¡ LM14, ¡15 ¡& ¡16 ¡due ¡Th ¡9AM ¡ ¡ Laude ¡Lecture ¡2 ¡& ¡3 ¡LMs ¡ ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
What ¡are ¡we ¡going ¡to ¡learn ¡today? ¡ − The simplest Atom - Hydrogen � • Understand how light can probe electrons in atoms � � • Recognize that electrons have discrete energy levels in atoms � � • Predict the energy for transitions of an electron between the energy levels in hydrogen � � • Relate the empirical model to the theoretical model of the energy levels of electrons in H atom � � • Solutions to the theoretical model predict electron configuration � CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Exciting Electrons Demo � CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Exciting Electrons Demo � CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Exciting Electrons Demo � Add ¡electrical ¡energy ¡to ¡various ¡elements: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Describe ¡results: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Exciting Electrons Demo � CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Exciting Electrons Demo � Think Like a Chemist � ¡ H* ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡H* ¡ ¡ H H ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡H H ¡ H* ¡ ¡H* ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Ne* ¡ ¡ Ne ¡ ¡ ¡ ¡Ne ¡ ¡ ¡ ¡Ne* ¡ ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
POLLING: ¡ ¡CLICKER ¡QUESTION ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Exciting Electrons Demo � WHICH ¡SPECTRUM ¡WOULD ¡YOU ¡EXPECT ¡TO ¡SEE ¡IF ¡WE ¡WERE ¡TO ¡PUT ¡A ¡GRATING ¡BETWEEN ¡ YOU ¡AND ¡THE ¡LIGHT ¡SOURCE? ¡ A. ¡ B. ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
POLL: ¡ ¡CLICKER ¡QUESTION ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ExciQng ¡which ¡gas ¡leads ¡to ¡emission ¡of ¡the ¡ the ¡highest ¡energy ¡visible ¡photons? ¡ a) ¡ ¡He ¡ b) ¡H 2 ¡ c) Ne ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
E ¡is ¡proporQonal ¡to ¡1/n 2 ¡ ¡ Where ¡do ¡these ¡ ¡ Energy ¡levels ¡come ¡from? ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
E = h ν CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Rydberg Formula � � MathemaQcian ¡Balmer ¡noted ¡a ¡paeern ¡in ¡the ¡frequencies ¡of ¡ some ¡of ¡the ¡lines. ¡ ¡ Rydberg ¡figured ¡this ¡out ¡with ¡an ¡Empirical ¡model ¡for ¡all ¡the ¡ lines ¡for ¡the ¡H-‑atom ¡(simple ¡because ¡there ¡is ¡only ¡one ¡ electron) ¡ ∆ E = − 2 . 18 x 10 − 18 J ( 1 1 i ) f − n 2 n 2 Convert ¡wavelength ¡to ¡frequency ¡to ¡energy ¡ n 1 ¡and ¡n 2 ¡are ¡Integers! ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Rydberg Formula � � Discrete ¡lines ¡= ¡Discrete ¡Energies ¡ ¡ ParQcular ¡wavelengths ¡correspond ¡to ¡transiQons ¡between ¡different ¡energy ¡ levels. ¡ ¡ NOT ¡ALL ¡ENERGIES ¡ARE ¡POSSIBLE! ¡ ¡ What ¡is ¡the ¡energy ¡difference ¡between ¡the ¡n=1 ¡and ¡n=2 ¡states ¡ ∆ E = − 2 . 18 x 10 − 18 J ( 1 1 i ) f − n 2 n 2 NegaQve ¡corresponds ¡to ¡emission ¡ PosiQve ¡to ¡absorpQon ¡ ¡ n 1 ¡and ¡n 2 ¡are ¡Integers! ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
THIS ¡INTERPRETATION ¡OF ¡THE ¡LINE ¡SPECTRA ¡ ¡ ALLOWED ¡SUGGESTED ¡ THAT ¡THE ¡ENERGIES ¡OF ¡THE ¡ELECTRONS ¡ ¡ MUST ¡BE ¡QUANTIZED! ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Bohr ’ s ¡model-‑ ¡solar ¡system ¡-‑EMPIRICAL ¡ Bohr ’ s ¡theory ¡allowed ¡for ¡the ¡calculaQon ¡of ¡an ¡energy ¡level ¡ • Or ¡the ¡calculaQon ¡of ¡the ¡emieed ¡wavelength ¡upon ¡release ¡of ¡energy ¡ • when ¡an ¡electron ¡transiQons ¡from ¡higher ¡to ¡lower ¡energy ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ΔE ¡= ¡h(c/λ) ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
BOHR ¡MODEL ¡ • Bohr ¡model ¡was ¡not ¡working ¡well ¡for ¡an ¡ atom ¡with ¡more ¡than ¡one ¡electron. ¡ ¡It ¡ treated ¡the ¡electron ¡as ¡a ¡parQcle. ¡ ¡de ¡ Broglie ¡had ¡shown ¡that ¡electrons ¡have ¡ wave ¡properQes. ¡ ¡Schrödinger ¡decided ¡to ¡ emphasize ¡the ¡wave ¡nature ¡of ¡electrons ¡in ¡ an ¡effort ¡to ¡define ¡a ¡theory ¡to ¡explain ¡the ¡ architecture ¡of ¡an ¡atom. ¡ hep://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/Circular_Standing_Wave.gif ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Wave-‑ParQcle ¡Duality ¡ Small ¡(low ¡mass) ¡ “ parQcles ” ¡have ¡wave-‑like ¡properQes ¡ ¡ They ¡are ¡neither ¡described ¡as ¡parQcles ¡or ¡waves ¡ They ¡have ¡characterisQcs ¡of ¡each ¡ ¡ We ¡saw ¡the ¡same ¡issue ¡for ¡ “ light ” ¡ ¡ Seems ¡like ¡a ¡wave, ¡but ¡the ¡energy ¡(photon) ¡appears ¡parQcle-‑like ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
How do we deal with the new “ wave/particle ” things? We need a new model!! � � Quantum ¡Mechanics! ¡ ¡ It ¡doesn ’ t ¡make ¡sense! ¡ It ¡shouldn ’ t! ¡ ¡ ¡ You ¡don ’ t ¡live ¡in ¡a ¡world ¡of ¡Qny ¡parQcles ¡ with ¡vanishingly ¡small ¡mass ¡and ¡momentum. ¡ ¡ It ¡is ¡what ¡it ¡is. ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
The ¡Schrödinger ¡ EquaQon ¡allows ¡us ¡ to ¡solve ¡for ¡all ¡ possible ¡ wavefuncQons ¡and ¡ energies ¡ Wave ¡funcQons ¡– ¡Tell ¡us ¡about ¡ “ where ” ¡the ¡ electron ¡is. ¡ (the ¡probability ¡of ¡finding ¡the ¡parQcle ¡at ¡a ¡given ¡posiQon) ¡ Energies– ¡Tell ¡us ¡about ¡the ¡energy ¡of ¡the ¡ electron ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
The Hydrogen Atom � � Simplest ¡of ¡all ¡atomic ¡problems. ¡ ¡ ¡ 1 ¡proton, ¡1 ¡electron. ¡ FuncQon ¡Machine ¡ Put ¡that ¡into ¡the ¡Schrödinger ¡ (Schrödinger ¡EquaQon) ¡ EquaQon ¡and ¡solve ¡ That ¡will ¡give ¡us ¡the ¡soluQons ¡ WavefuncQons ¡and ¡energies ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
The Hydrogen Atom � � FuncQon ¡Machine ¡ (Schrödinger ¡EquaQon) ¡ That ¡will ¡give ¡us ¡the ¡soluQons ¡ Infinite ¡number ¡of ¡soluQons ¡ Which ¡soluQon ¡are ¡we ¡are ¡interested ¡in? ¡ LOWEST ¡ENERGY ¡ ¡ ¡ GROUND ¡STATE ¡ELECTRON ¡ CONFIGURATION ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
Where is the Energy? � � Two ¡key ¡ideas ¡from ¡Quantum ¡Mechanics, ¡ systems ¡are ¡described ¡by ¡ Wave ¡funcQons ¡– ¡Tell ¡us ¡about ¡“where” ¡the ¡ electron ¡is. ¡ (the ¡probability ¡of ¡finding ¡the ¡parQcle ¡at ¡a ¡given ¡posiQon) ¡ Energies– ¡Tell ¡us ¡about ¡the ¡energy ¡of ¡the ¡ electron ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
DIAGRAM ¡SOLUTIONS ¡LOWEST ¡ENERGY ¡ELECTRON ¡TO ¡HIGHEST ¡ENERGY ¡ELECTRON ¡ (Draw ¡energy ¡level ¡diagram ¡for ¡hydrogen ¡atom) ¡ CH301 ¡Vanden ¡Bout/LaBrake ¡ ¡Fall ¡2013 ¡
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