Modele atomu wodoru

Zagadnienia

• Mechanika kwantowa
• Atom wodoru
• Model Bohra
• Długość fali DeBroglie'a
• Model Schrödingera

Opis

Symulacja Modele atomu wodoru umożliwia uczniom zapoznanie się z historycznymi modelami atomu wodoru i porównanie ich z wynikami eksperymentów.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (López, Rouinfar, Salpepi, kwiecień 2025)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Zwizualizuj różne modele atomu wodoru.
• Porównaj energię absorbowaną i emitowaną przez elektrony z danymi zarejestrowanymi przez spektrometr.
• Wyjaśnij, jakie eksperymentalne przewidywania zawiera każdy z modeli.
• Opisz różnice i ograniczenia każdego modelu historycznego.
• Wyjaśnij związek między fizycznym obrazem orbitali a diagramem poziomu energetycznego elektronu.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Budowa atomu wodoru. Stan podstawowy i stany wzbudzone (ZPE)
• Współczesny opis budowy atomu (ZPE)
• Co to są liczby kwantowe i o czym nam one mówią? (ZPE)
• W jaki sposób możemy zinterpretować linie widmowe? (ZPE)
• Czym są widma emisyjne? (ZPE)
• Obserwacja widm atomowych za pomocą siatki dyfrakcyjnej (ZPE)
• Powstawanie widm emisyjnych na przykładzie atomu wodoru (ZPE)
• Model atomu wodoru Bohra (OpenStax)
• Budowa atomu (OpenStax)
• Model atomu Bohra (Khan Academy)

Sterowanie symulacją

Ekran Widma (link bezpośredni)

Skieruj światło na próbkę wodoru i obserwuj, co się stanie. Zbieraj dane spektroskopowe i porównuj migawki różnych modeli z wynikami eksperymentalnymi.

Ekran Poziomy energetyczne (link bezpośredni)

Zbadaj związek pomiędzy modelem reprezentacji przejść elektronowych a diagramem poziomów energetycznych.

Złożone sterowanie

• Spektrometr zbiera dane tylko wtedy, gdy jest otwarty.
• W modelu Schrödingera przejścia elektronowe podlegają regułom wyboru Δℓ = ±1 i Δm = 0, ±1. Ze względu na te reguły elektron może czasami utknąć w metastabilnym stanie 2s (2, 0, 0) i nie może przejść do stanu podstawowego 1s (1, 0, 0). W trybie światła białego źródło światła automatycznie emituje widzialny foton o dokładnie odpowiedniej energii, aby go wzbudzić. W trybie monochromatycznym elektron pozostanie w tym stanie, chyba że wybierzesz długość fali, która może wzbudzić go z tego stanu lub użyjesz przycisku Wzbudź elektron. Przycisk Wzbudź elektron wyemituje absorbowalny widzialny foton bez zmiany ustawień źródła światła.
• Po napotkaniu stanu metastabilnego w trybie eksperymentu wyświetlane jest okno dialogowe z ostrzeżeniem. Aby zresetować elektron, źródło światła wyemituje absorbowalny foton widzialny bez zmiany ustawień źródła światła.
• Użyj ikony aparatu , aby wykonać migawkę odczytów spektrometru w celu porównania wyników dla różnych modeli.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Modele atomu wodoru chcesz uwzględnić tylko pierwszy ekran (screens=1) i domyślnie wyciszyć dźwięk (audio=muted), użyj: https://www.edukator.pl/simulations/models-of-the-hydrogen-atom_all.html?screens=1&audio=muted

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/simulations/models-of-the-hydrogen-atom_all.html?locale=pl&screens=1&audio=muted

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje, Opcje... lub w samej symulacji.

Parametr query i opis	Przykładowe linki
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=es (hiszpański)
audio - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony.	audio=muted audio=disabled
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji. Pole wyboru dostępne także w menu PhET w obszarze Opcje > Tryb projektora.	colorProfile=projector
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy false, uniemożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki. Domyślnie jest true.	supportsPanAndZoom=false

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w sekcjach Wizualne i Audio możemy zaznaczyć żądane opcje:

Możemy zaznaczyć Tryb projektora, aby ułatwić projekcję. Następuje wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej.

Gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", dodatkowo pojawia się sekcja Lokalizacja, w której możemy dokonać wyboru języka:

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów.

Przy aktywnym ekranie głównym:

Przy aktywnym ekranie Widma lub Poziomy energetyczne:

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Zachęcaj uczniów do dostosowywania ustawień prędkości symulacji, gdy jest to istotne z punktu widzenia dydaktycznego. Tryb szybki skraca czas potrzebny na zebranie i porównanie danych spektroskopowych. Opcja powolna może być pomocna podczas śledzenia zachowania elektronów lub zrozumienia reprezentacji de Broglie'a i Schrödingera. Alternatywnie, wstrzymaj symulację, a następnie użyj przycisku kroku do przodu, aby stopniowo analizować.
• Celem trybu Eksperyment jest umożliwienie uczniom zbierania danych obserwacyjnych, tak jakby byli naukowcami badającymi strukturę atomową. W tym trybie powiększony widok atomu wodoru i diagram poziomu energii elektronu wyświetlają znak „?”. Uczniowie mogą skorzystać z pomocy podczas korzystania z tego trybu.
• Gdy źródło światła jest ustawione na długość fali przejścia, odpowiednie przejście jest wyświetlane w pobliżu odczytu długości fali (np. n = 1 → 5). Uczniowie mogą nie zauważyć tego odczytu podczas korzystania z suwaka do ustawiania długości fali, ponieważ odczyt pojawia się tylko przy precyzyjnych długościach fal, które mogą być trudne do bezpośredniego ustawienia. Aby ułatwić eksplorację długości fal przejścia, użyj okna dialogowego Przejścia.
• Uczniowie mogą spróbować wzbudzić elektron ze stanu n=2 przy użyciu widocznej długości fali przejścia. W modelach Bohra i de Broglie'a jest to prawie niemożliwe. Prawdopodobieństwo, że elektron zaabsorbuje foton podczas krótkiego czasu przebywania w stanie wzbudzonym jest bardzo małe.
• Uczniowie mogą nie zdawać sobie sprawy, że fotony UV mogą mieć różne długości fal, ponieważ wszystkie wyglądają tak samo.

Uproszczenia / założenia modelu

• Wszystkie długości fal są modelowane jako wartości całkowite (w nm), aby uniknąć błędów zmiennoprzecinkowych.
• Orbity elektronów i odstępy między nimi są zniekształcone, dzięki czemu możemy wyświetlić do n=6 w powiększonym polu i diagramie poziomów energii elektronów.
• Oś x spektrometru nie jest w skali. Widma UV i IR są ściśnięte, aby wszystkie długości fal emisyjnych zmieściły się w dostępnej przestrzeni poziomej.
• Tryb eksperymentu zachowuje się identycznie jak model Schrödingera, ale struktura atomowa i diagram poziomów energetycznych elektronów są ukryte.
• W modelach Bohra i de Broglie'a przejścia między dowolnymi dwoma poziomami są równie prawdopodobne. W modelu Schrödingera prawdopodobieństwo przejścia opiera się na nakładaniu się funkcji falowych, a niektóre przejścia są zabronione lub wysoce nieprawdopodobne. W związku z tym w modelu Schrödingera występuje mniej linii widmowych niż w modelach Bohra lub de Broglie'a.
• W modelu Ciasto z rodzynkami zakładamy, że elektron może absorbować światło o dowolnej częstotliwości, ale zawsze emituje światło o częstotliwości równej jego częstotliwości oscylacji. (A.P. French i E.F. Taylor, An Introduction to Quantum Physics (1978), s. 11).
• Zdecydowaliśmy się używać popularnych nazw dla modeli klasycznych (Model kuli bilardowej, model ciasta z rodzynkami, model planetarny). Odpowiadają one odpowiednio modelom Daltona, Thomsona i Rutherforda.
• W symulacji możliwa jest zarówno emisja spontaniczna, jak i wymuszona, choć ta druga jest rzadka. W przypadku emisji wymuszonej emitowany foton porusza się w tym samym kierunku, co padające fotony, podczas gdy spontanicznie emitowane fotony poruszają się w losowym kierunku. Aby pomóc w rozróżnieniu między tymi dwoma rodzajami emisji, spontanicznie emitowane fotony zawsze będą miały minimalne odchylenie ~20° w stosunku do kierunku padającego fotonu.
• Więcej informacji dotyczących założeń modelu można uzyskać tu (en)

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Opisz różnice i ograniczenia każdego historycznego modelu.
• Zbierz dane ze spektrometru i odnieś je do absorbowanej i emitowanej energii.
• Wyjaśnij, który model najdokładniej przewiduje eksperymentalne linie widmowe wodoru.
• Porównaj i skontrastuj wygląd elektronu wodoru w trzech modelach kwantowych.
• Podsumuj związek między długością fali, energią fotonu i odległością między poziomami energetycznymi.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Modele atomu wodoru tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).

Symulacje zbliżone tematycznie