Poziomy energetyczne

Poprawna odpowiedź

1. B., 2. B.

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.

Wymaganie szczegółowe

2.3 Fizyka atomowa. Uczeń opisuje budowę atomu wodoru, stan podstawowy i stany wzbudzone
2.4 Fizyka atomowa. Uczeń wyjaśnia pojęcie fotonu i jego energii
2.5 Fizyka atomowa. Uczeń interpretuje zasadę zachowania energii przy przejściach elektronu między poziomami energetycznymi w atomie z udziałem fotonu

Komentarz

Zgodnie z modelem Bohra, elektronowi znajdującemu się na określonej orbicie w atomie odpowiada konkretny poziom energetyczny. Przedstawiony w zadaniu diagram zawiera informacje na temat energii elektronu, w sytuacji w której zajmuje on jedną z czterech najniższych orbit atomu wodoru. Aby przenieść elektron na orbitę wyższą, należy mu dostarczyć porcję energii (na przykład pod postacią fotonu) równą różnicy energii pomiędzy poziomem docelowym a poziomem, z którego elektron przenosimy. Należy przy tym pamiętać, że energia fotonu musi być bardzo ściśle dobrana do różnicy energii pomiędzy poziomami, ze względu na to, że dostarczenie energii do atomu oznacza w tym przypadku absorpcję fotonu.

 W sytuacji opisanej w zadaniu na atomy wodoru padają fotony promieniowania UV o energii równej 11 eV.  Wszystkie atomy znajdują się w stanie podstawowym, a zatem każdy elektron zajmuje poziom o energii równej -13,6 eV. Energia pierwszego poziomu wzbudzonego wynosi -3,4 eV. Różnica energii pomiędzy tymi dwoma poziomami wynosi zatem 10,2 eV. Energia padających fotonów jest zbyt wysoka, aby spowodować  przejście elektronów na pierwszy poziom wzbudzony (n = 2). Różnica energii pomiędzy stanem podstawowym a kolejnym poziomem wzbudzonym (n = 3) wynosi z kolei 11,7 eV, więc tym razem energia fotonów jest niewystarczająca, aby wzbudzić atomy wodoru. Podobnie w sytuacji poziomu o  n = 4. Jak widać, energia fotonu nie jest dopasowana do żadnego z możliwych przejść na wyższe poziomy energetyczne, zatem wszystkie atomy wodoru pozostaną w stanie podstawowym. Prawidłowym rozwiązaniem zadania jest zatem kombinacja odpowiedzi 1.B., 2.B.

Prezentowane zadanie bada umiejętność przewidywania wyników doświadczeń w oparciu o wiedzę, którą dysponuje uczeń. W badaniu, w którym wzięli udział uczniowie drugich klas liceów ogólnokształcących, rozwiązało je 21% uczestniczących w nim osób. Badanie wykazało, że uczniowie mieli spory problem z określeniem, w jaki sposób zachowają się atomy w opisanej sytuacji. W pierwszej części zadania na odpowiedź A zdecydowało się 42% uczniów uważając, że niektóre atomy przejdą do stanu wzbudzonego o n = 2. Podobna liczba osób (43,6%) zdecydowała się na odpowiedź B (prawidłową), stwierdzając, że  wszystkie atomy pozostaną w stanie podstawowym.

Najprawdopodobniej wątpliwości uczniów wzięły się stąd, że energia fotonów była minimalnie wyższa niż różnica energii pomiędzy poziomem podstawowym a pierwszym poziomem wzbudzonym. Rozumując w sposób właściwy dla mechaniki klasycznej, mogli dojść do wniosku, że foton przekaże elektronowi taką część swojej energii, która wystarczy aby przenieść go na wyższą orbitę,  nie zastanawiając się zupełnie, że pozostająca nadwyżka energii nie może tak po prostu zniknąć, skoro foton zostaje zaabsorbowany. Można zatem przypuszczać, że znaczna część uczniów nie rozumiała mechanizmu wzbudzenia atomu. Świadczy o tym rozkład odpowiedzi w drugiej części zadania. Na wyjaśnienie A zdecydowało się 35,9% uczniów (energia fotonów jest wystarczająca do przejścia do pierwszego stanu wzbudzonego). Prawidłowe wyjaśnienie B (energia fotonów nie jest dopasowana do przejścia do któregokolwiek ze stanów wzbudzonych) wybrało 25,6% osób, natomiast wyjaśnienie C (energia fotonów jest mniejsza od 13,6 eV) wybrało dokładnie tyle samo osób, co wyjaśnienie A (35,9%).

Słowa kluczowe