原子構造と光:学習ガイド

重要なポイント

原子は、陽子と中性子からなる小さな原子核と、殻と軌道に入った電子からできている。電子がエネルギー準位の間を移るとき、光が放出または吸収される。

• 原子番号 Z は陽子の数である。質量数 A は陽子と中性子の和なので、中性子の数 = A − Z。
• 電子は収容数 2n² の殻を満たし、殻は 2、6、10、14 個の電子を収容する s、p、d、f 副殻に分かれる。
• 光は c = λν に従い、光子 1 個のエネルギーは E = hν である。水素の輝線は準位間の遷移 n₂ → n₁ により、1 ÷ λ = R(1 ÷ n₁² − 1 ÷ n₂²)、R = 1.097 × 10⁷ m⁻¹ で与えられる。
• 波長が短いほど、振動数も光子エネルギーも大きい。

主な式

• c = λν
• E = hν = hc ÷ λ
• 1 ÷ λ = R(1 ÷ n₁² − 1 ÷ n₂²)
• neutrons = A − Z
• electrons in shell n: 2n²

例題

水素の赤色のバルマー線は n = 3 → 2 の遷移である。1 ÷ λ = 1.097 × 10⁷ × (1 ÷ 4 − 1 ÷ 9) = 1.52 × 10⁶ m⁻¹ より λ = 656 nm。振動数は 3.00 × 10⁸ ÷ 656 × 10⁻⁹ = 4.57 × 10¹⁴ Hz、光子エネルギーは 1240 ÷ 656 = 1.89 eV。別の例として、ウラン 235 の中性子数は 235 − 92 = 143 である。

よくある間違い

• 質量数と、同位体の平均である周期表の原子量を混同すること。
• リュードベリの式でナノメートルとメートルを混ぜること。
• 準位間の遷移が大きいほど波長が長くなると考えること。実際は短くなる。

練習

このトピックの練習問題で力試しをしましょう:原子構造と光