Chúng ta có thể sử dụng mô hình nguyên tử của Bohr để hiểu cách các vạch quang phổ được hình thành. Khái niệm về mức năng lượng của quỹ đạo electron trong nguyên tử tự nhiên dẫn đến giải thích tại sao nguyên tử chỉ hấp thụ hoặc phát ra năng lượng hoặc bước sóng ánh sáng cụ thể.

Quang phổ hydrogen

Hãy xem xét nguyên tử hydrogen từ quan điểm của mô hình Bohr. Giả sử một chùm ánh sáng trắng (bao gồm các photon ở tất cả các bước sóng nhìn thấy được) chiếu qua một chất khí nguyên tử hydrogen. Một photon có bước sóng 656 nanomet có năng lượng vừa đủ để nâng một electron trong nguyên tử hydrogen từ quỹ đạo thứ hai lên quỹ đạo thứ ba. Do đó, khi tất cả các photon có năng lượng (hay bước sóng, màu sắc) khác nhau chiếu qua nguyên tử hydrogen, các photon có bước sóng cụ thể này có thể bị hấp thụ bởi các nguyên tử có electron quay quanh mức thứ hai. Khi chúng bị hấp thụ, các electron ở mức thứ hai sẽ chuyển sang mức thứ ba, và một số photon có bước sóng và năng lượng này sẽ bị thiếu trong dòng ánh sáng trắng đó.

Các photon khác sẽ có năng lượng phù hợp để nâng các electron từ quỹ đạo thứ hai lên quỹ đạo thứ tư, hoặc từ quỹ đạo thứ nhất đến quỹ đạo thứ năm, v.v. Chỉ những photon có năng lượng chính xác này mới có thể bị hấp thụ. Tất cả các photon khác sẽ chạy qua các nguyên tử mà không bị tác động. Do đó, các nguyên tử hydrogen chỉ hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng nhất định và tạo ra những vạch tối ở những bước sóng đó trong quang phổ mà chúng ta nhìn thấy.

Giả sử chúng ta có một bình chứa khí hydro trong đó có một loạt các photon đi qua, điều này cho phép nhiều electron di chuyển lên các tầng cao hơn. Khi chúng ta tắt nguồn sáng, các electron này "rơi" trở lại từ quỹ đạo lớn hơn đến quỹ đạo thấp hơn và phát ra các photon ánh sáng có năng lượng hoặc bước sóng tương ứng với sự chênh lệch năng lượng giữa các quỹ đạo cho phép. Sự thay đổi quỹ đạo của các electron của nguyên tử hydrogen làm phát sinh một số vạch quang phổ được thể hiện trong Hình 5.19.

Hình 5.19 Mô hình Bohr cho nguyên tử Hydrogen. Trong mô hình đơn giản hóa này của nguyên tử hydrogen, các vòng tròn đồng tâm thể hiện các quỹ đạo hoặc mức năng lượng cho phép. Một electron trong nguyên tử hydro chỉ có thể tồn tại ở một trong các mức (hoặc trạng thái) năng lượng này. Electron càng gần hạt nhân thì electron càng liên kết chặt với hạt nhân. Bằng cách hấp thụ năng lượng, electron có thể di chuyển đến các mức năng lượng xa hạt nhân hơn (và thậm chí thoát ra nếu hấp thụ đủ năng lượng).

Những hình ảnh tương tự có thể được vẽ cho các nguyên tử khác với hydro. Tuy nhiên, bởi vì các nguyên tử khác này thường có nhiều hơn một điện tử trong mỗi nguyên tử, quỹ đạo của các điện tử của chúng phức tạp hơn nhiều, và quang phổ cũng phức tạp hơn. Đối với mục đích của chúng tôi thì kết luận quan trọng là: mỗi loại nguyên tử có mô hình quỹ đạo electron độc nhất của riêng nó, và không có hai tập hợp quỹ đạo nào hoàn toàn giống nhau. Điều này có nghĩa là mỗi loại nguyên tử thể hiện một tập hợp các vạch quang phổ độc nhất của riêng nó, được tạo ra bởi các electron chuyển động giữa các quỹ đạo độc nhất của nó.

Các nhà thiên văn và vật lý đã làm việc chăm chỉ để tìm hiểu các đường đi của mỗi nguyên tố bằng cách nghiên cứu cách các nguyên tử hấp thụ và phát ra ánh sáng trong các phòng thí nghiệm trên Trái Đất. Sau đó, họ có thể sử dụng kiến thức này để xác định các nguyên tố trong các thiên thể. Bằng cách này, giờ đây chúng ta biết được cấu tạo hóa học của không chỉ bất kỳ ngôi sao nào, mà còn cả những thiên hà của các ngôi sao ở khoảng cách xa đến mức ánh sáng của chúng đã bắt đầu cuộc hành trình đến với chúng ta từ rất lâu trước khi Trái Đất hình thành.

Mức năng lượng và sự kích thích

Mô hình nguyên tử hydrogen của Bohr là một bước tiến lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về nguyên tử. Tuy nhiên, ngày nay chúng ta biết rằng nguyên tử không thể được biểu diễn bằng một bức tranh đơn giản như vậy. Ví dụ, khái niệm về quỹ đạo electron được xác định rõ ràng là không thực sự đúng; tuy nhiên, ở cấp độ của khóa học nhập môn này, khái niệm rằng chỉ một số năng lượng rời rạc nhất định mới có thể cho phép đối với một nguyên tử là rất hữu ích. Các mức năng lượng mà chúng ta đang thảo luận có thể được coi là đại diện cho khoảng cách trung bình nhất định của các quỹ đạo có thể có của electron từ hạt nhân nguyên tử.

Thông thường, một nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp nhất có thể, trạng thái cơ bản của nó. Trong mô hình Bohr của nguyên tử hydrogen, trạng thái cơ bản tương ứng với việc electron ở quỹ đạo trong cùng. Một nguyên tử có thể hấp thụ năng lượng, năng lượng này nâng nó lên mức năng lượng cao hơn (tương ứng, trong hình Bohr đơn giản, chuyển động của một electron đến một quỹ đạo lớn hơn) —điều này được gọi là sự kích thích. Nguyên tử sau đó được cho là ở trạng thái kích thích. Nói chung, một nguyên tử chỉ bị kích thích trong một thời gian rất ngắn. Sau một khoảng thời gian ngắn, thường là một vài trăm micro giây hoặc lâu hơn, nó tự phát rơi trở lại trạng thái cơ bản và đồng thời phát ra ánh sáng. Nguyên tử có thể trở lại trạng thái thấp nhất của nó trong một bước nhảy, hoặc nó có thể thực hiện chuyển đổi theo từng bước, từ hai bước nhảy trở lên, dừng lại ở mức trung gian trên đường đi xuống. Với mỗi bước nhảy, nó phát ra một photon có bước sóng tương ứng với sự chênh lệch năng lượng giữa các mức ở đầu và cuối bước nhảy đó.

Biểu đồ mức năng lượng cho một nguyên tử hydrogen và một số quá trình chuyển đổi nguyên tử có thể xảy ra được biểu diễn trong Hình 5.20. Khi chúng ta đo năng lượng liên quan khi nguyên tử nhảy giữa các mức, chúng ta thấy rằng sự chuyển đổi sang hoặc từ trạng thái cơ bản, được gọi là chuỗi vạch Lyman, dẫn đến sự phát xạ hoặc hấp thụ các photon tử ngoại. Nhưng sự chuyển đổi đến hoặc từ trạng thái kích thích đầu tiên (được ký hiệu n = 2 trong phần (a) của Hình 5.20), được gọi là chuỗi Balmer, tạo ra sự phát xạ hoặc hấp thụ trong ánh sáng khả kiến. Trên thực tế, để giải thích chuỗi Balmer này, Bohr đã lần đầu tiên đề xuất mô hình nguyên tử của ông.

Hình 5.20 Biểu đồ mức năng lượng cho nguyên tử hydrogen.
(a) Ở đây chúng ta theo dõi sự phát xạ hoặc hấp thụ photon của một nguyên tử hydrogen theo mô hình Bohr. Một số dãy vạch quang phổ khác nhau được hiển thị, tương ứng với sự chuyển dịch của các electron từ hoặc đến một số quỹ đạo cho phép nhất định. Mỗi chuỗi vạch kết thúc trên một quỹ đạo bên trong cụ thể được đặt tên cho nhà vật lý đã nghiên cứu nó. Ví dụ: ở trên cùng, bạn thấy chuỗi Balmer và các mũi tên cho thấy các electron nhảy từ quỹ đạo thứ hai (n = 2) sang quỹ đạo thứ ba, thứ tư, thứ năm và thứ sáu. Mỗi khi một electron “nghèo” từ mức thấp hơn muốn vươn lên vị trí cao hơn trong cuộc sống, nó phải hấp thụ năng lượng để làm điều đó. Nó có thể hấp thụ năng lượng nó cần từ các sóng (hoặc photon) ánh sáng truyền qua. Bộ mũi tên tiếp theo (chuỗi Lyman) cho thấy các electron rơi xuống quỹ đạo đầu tiên từ các mức khác nhau (cao hơn). Mỗi khi một electron “giàu” đi xuống phía gần hạt nhân, nó có thể đủ khả năng phát ra (phát ra) một số năng lượng mà nó không còn cần nữa. (Trong biểu đồ lý tưởng hóa này, các mức năng lượng được hiển thị cách đều nhau; trong cuộc sống thực thì không.)
(b) Ở các mức năng lượng càng cao, số lượng mức sẽ càng đông đúc hơn và tiến tới một giới hạn. Vùng phía trên của vạch cao nhất biểu thị năng lượng mà nguyên tử bị ion hóa (electron không còn gắn vào nguyên tử). Mỗi chuỗi mũi tên đại diện cho các electron rơi từ mức cao hơn xuống mức thấp hơn, giải phóng photon hoặc sóng năng lượng trong quá trình này.

Các nguyên tử đã hấp thụ các photon cụ thể từ chùm ánh sáng trắng đi qua và do đó trở nên kích thích, thường sẽ tự khử kích thích và phát ra ánh sáng đó một lần nữa trong một thời gian rất ngắn. Vì vậy, bạn có thể tự hỏi, tại sao các vạch quang phổ tối lại được tạo ra. Nói cách khác, tại sao ánh sáng tái tạo này không nhanh chóng “lấp đầy” các vạch hấp thụ tối hơn?

Hãy tưởng tượng một chùm ánh sáng trắng chiếu về phía bạn xuyên qua một lượng khí lạnh hơn. Một số ánh sáng tái tạo thực sự được quay trở lại chùm ánh sáng trắng mà bạn nhìn thấy, nhưng điều này chỉ lấp đầy các vạch hấp thụ ở một mức độ nhỏ. Nguyên nhân là do các nguyên tử trong chất khí phát ra ánh sáng theo mọi hướng, và chỉ một phần nhỏ của ánh sáng chiếu lại theo hướng của chùm tia ban đầu (về phía bạn). Trong một ngôi sao, phần lớn ánh sáng tái tạo đã thực sự đi theo các hướng dẫn ngược vào trong ngôi sao, điều này khiến những người quan sát bên ngoài ngôi sao không thấy được.

Hình 5.21 tóm tắt các loại quang phổ khác nhau mà chúng ta đã thảo luận. Một bóng đèn nóng sáng tạo ra quang phổ liên tục. Khi quan sát quang phổ liên tục đó qua một đám mây khí mỏng hơn, có thể thấy quang phổ vạch hấp thụ nằm chồng lên quang phổ liên tục. Nếu chúng ta chỉ nhìn vào một đám mây nguyên tử khí bị kích thích (không có nguồn liên tục phía sau nó), chúng ta sẽ thấy rằng các nguyên tử bị kích thích phát ra quang phổ vạch phát xạ.

Hình 5.21 Ba loại quang phổ. Khi chúng ta nhìn thấy một bóng đèn hoặc nguồn bức xạ liên tục khác, tất cả các màu đều hiện diện. Khi quang phổ liên tục được nhìn thấy qua một đám mây khí mỏng hơn, các nguyên tử của đám mây tạo ra các vạch hấp thụ trong quang phổ liên tục. Khi đám mây bị kích thích được quan sát mà không có nguồn liên tục đằng sau, các nguyên tử của đám mây sẽ tạo ra các vạch phát xạ. Chúng ta có thể tìm hiểu loại nguyên tử nào trong đám mây khí từ mô hình vạch hấp thụ hoặc vạch phát xạ.

Sử dụng mô phỏng này để chơi với một nguyên tử hydrogen và xem điều gì sẽ xảy ra khi các điện tử di chuyển lên các mức cao hơn và sau đó phát ra các photon khi chúng xuống mức thấp hơn.

Sự ion hóa

Chúng ta đã mô tả cách một nguyên tử có thể hấp thụ một số lượng năng lượng rời rạc nhất định, nâng nó lên trạng thái kích thích và di chuyển một trong các điện tử của nó ra xa hạt nhân của nó. Nếu hấp thụ đủ năng lượng, electron có thể bị loại bỏ hoàn toàn khỏi nguyên tử - đây được gọi là quá trình ion hóa. Nguyên tử sau đó được cho là bị ion hóa. Năng lượng tối thiểu cần thiết để bứt một electron ra khỏi nguyên tử ở trạng thái cơ bản được gọi là năng lượng ion hóa của nó.

Để loại bỏ thêm một điện tử sâu hơn trong cấu trúc của nguyên tử, một lượng năng lượng lớn hơn phải được hấp thụ bởi nguyên tử đã được ion hóa (được gọi là ion). Những lượng năng lượng lớn hơn nữa là cần thiết để loại bỏ các electron thứ ba, thứ tư, thứ năm, v.v. - khỏi nguyên tử. Nếu có đủ năng lượng, một nguyên tử có thể bị ion hóa hoàn toàn, mất tất cả các electron. Một nguyên tử hydro, chỉ có một điện tử bị mất, có thể bị ion hóa một lần duy nhất; một nguyên tử heli có thể bị ion hóa hai lần; và một nguyên tử oxy lên đến tám lần. Khi chúng ta xem xét các vùng của vũ trụ nơi có rất nhiều bức xạ năng lượng, chẳng hạn như các vùng lân cận nơi các ngôi sao trẻ nóng mới hình thành gần đây, chúng ta thấy rất nhiều sự ion hóa đang diễn ra.

Một nguyên tử bị ion hóa dương sẽ mất đi một điện tích âm - là điện tử bị thiếu - và do đó chỉ còn lại một điện tích dương thuần. Do đó, nó tạo ra một lực hút mạnh đối với bất kỳ điện tử tự do nào. Cuối cùng, một hoặc nhiều electron sẽ bị bắt và nguyên tử sẽ trở lại trung hòa (hoặc ion hóa ở một mức độ nhỏ hơn). Trong quá trình bắt electron, nguyên tử phát ra một hoặc nhiều photon. Những photon nào được phát ra phụ thuộc vào việc electron bị bắt ngay lập tức đến mức năng lượng thấp nhất của nguyên tử hay dừng lại ở một hoặc nhiều mức trung gian trên đường đến mức thấp nhất hiện có.

Giống như sự kích thích của một nguyên tử có thể là kết quả của sự va chạm với một nguyên tử, ion hoặc electron khác (va chạm với electron thường là quan trọng nhất), thì sự ion hóa cũng có thể xảy ra. Tốc độ xảy ra các ion hóa va chạm như vậy phụ thuộc vào tốc độ của các nguyên tử và do đó phụ thuộc vào nhiệt độ của khí - khí càng nóng thì càng nhiều nguyên tử của nó bị ion hóa.

Tốc độ mà các ion và electron tái kết hợp cũng phụ thuộc vào tốc độ tương đối của chúng - tức là vào nhiệt độ. Ngoài ra, nó phụ thuộc vào mật độ của khí: mật độ càng cao, cơ hội thu hồi càng lớn, vì các loại hạt khác nhau tập trung gần nhau hơn. Từ kiến ​​thức về nhiệt độ và khối lượng riêng của một chất khí, có thể tính được phần tử nguyên tử đã bị ion hóa một lần, hai lần, v.v. Ví dụ, trong Mặt trời, chúng ta thấy rằng hầu hết các nguyên tử hydro và heli trong bầu khí quyển của nó là trung tính, trong khi hầu hết các nguyên tử canxi, cũng như nhiều nguyên tử nặng hơn khác, đều bị ion hóa một lần.

Các mức năng lượng của một nguyên tử bị ion hóa hoàn toàn khác với các mức năng lượng của cùng một nguyên tử khi nó ở trạng thái trung hòa. Mỗi khi một electron bị tách ra khỏi nguyên tử, các mức năng lượng của ion, và do đó bước sóng của các vạch quang phổ mà nó có thể tạo ra sẽ thay đổi. Điều này giúp các nhà thiên văn học phân biệt các ion của một nguyên tố nhất định. Hydrogen bị ion hóa, tức là không có điện tử, sẽ không thể tạo ra vạch hấp thụ.

(Còn tiếp...)

Tham khảo

  • Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy)