Espectros atómicos
Los niveles de energía del átomo de hidrógeno están separados como Eₙ = −13.6 eV / n². Cuando un electrón salta de un peldaño alto a uno bajo, manda exactamente esa diferencia como un fotón. Efotón = Ei − Ef, y el fotón lleva una frecuencia así que E = hf, y como longitud de onda λ = hc / E. Las diferencias son valores fijos, así que la luz sale solo como líneas de longitud de onda fija. El primer dibujo muestra la escalera de niveles y dónde caen esas líneas en el espectro.
Dibuja los niveles del hidrógeno como una escalera. Eₙ = −13.6 eV / n², así que n = 1 se hunde hondo, y al crecer n los peldaños se juntan hacia 0. Elige una transición de un peldaño alto a uno bajo y la diferencia Ei − Ef es la energía de un fotón. f es la frecuencia de ese fotón, así que E = hf, y λ = hc / E es la longitud de onda de la luz. Esta λ es la longitud de onda propia de la luz, distinta de la onda de materia λ = h/p. Elige las transiciones visibles 656, 486, 434 nm y una línea de color cae en su sitio sobre la barra de 400 to 700 nm.
Qué peldaño bajo eliges parte las series. Las transiciones que caen a f = 1 son la serie de Lyman, ultravioleta, y las que caen a f = 2 son la serie de Balmer, luz visible. Las que caen a f = 3 son la serie de Paschen, infrarrojo. Elige una serie y solo las transiciones de esa serie se marcan en la escalera. Lo que el ojo ve como líneas de color es solo la serie de Balmer.
Incluso entre los mismos peldaños, la dirección hace dos dibujos. Cuando el electrón salta hacia abajo manda un fotón, una línea brillante que se enciende sobre una banda oscura, emisión. Cuando una luz continua pasa un átomo, solo se absorben fotones de esa diferencia exacta y una línea oscura se corta en una banda brillante, absorción. Cambia la dirección y una línea brillante y una oscura cambian de lugar en la misma longitud de onda. La conservación de la energía lo explica.
La energía, la frecuencia, la longitud de onda y el color de un fotón van atados en un hilo. Sube la energía del fotón E y la frecuencia f sube con ella como E = hf, y la longitud de onda se encoge como λ = hc / E. Al mismo tiempo el color se mueve del rojo hacia el violeta. La luz de energía grande es violeta de longitud corta, y la luz de energía pequeña es rojo de longitud larga. Fija una y el resto sigue.
Dentro de una serie, sube el peldaño alto y las líneas se juntan hacia un lugar. Eₙ = −13.6 eV / n², así que las brechas se encogen al subir, y al crecer el peldaño alto la energía de la transición converge a un máximo. Ese lugar es el límite de la serie. Sube el peldaño alto y una línea nueva se pega justo al lado de la anterior, apretándose hacia el límite. Cuando el peldaño alto crece sin fin, ese es el borde donde el electrón justo se libera, el umbral de ionización.