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Chapter 1

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Physiology 2130
Paul Gillespie

Chapter 1.1: Atomic Structure 1.1 Introduction o Neutrons and protons reside in the nucleus, the core of the atom o Electrons occupy the space around the nucleus and are about 1/2000  of the mass of  protons and neutrons o Therefore, most of the mass of an atom resides in the nucleus A Brief History o mid 19  century  ▯physicists discovered that when hydrogen gas was placed in a tube and  excited with a high­voltage electric disch2rge, H , molecules would dissociate into  hydrogen atoms and the excited atoms would emit discrete colors of visible light  o electromagnetic spectrum ▯  describes the complete range of electromagnetic radiation  that travels through space as energy in the form of oscillating waves  o oscillating waves ▯  travel at the speed of light; c=3.0 x 10  m/s o we use the area between uv and infrared light  o starts harmful, becomes less harmful from left to right Waves o characterized by wavelength and frequency o wavelength (λ)  ▯refers to the distance between two adjacent points on adjacent waves;  expressed in nm (1nm = 1.0x10 m) o frequency (v) ▯  the # of times one complete wave passes by a point in space in a given  amount of time; expressed in cycles/sec or Hz o amplitude (Ψ) ▯  the height (intensity) of the wave o spectroscopy ▯  interaction of light with matter ex. MRI and NMR (nuclear magnetic  resonance) o most of the wavelengths are invisible to the human eye o visible region/ spectrum ▯  eyes can only detect between 400­750 nm; violet to red o v = c/ λ  ▯ frequency is a CONSTANT: the speed of light o the longer the wavelength, the lower the frequency Behaviour of Waves o diffraction ▯  a wave passes through a small (width is of similar size to the wavelength)  slit and expands to fill all the space on the other side of the barrier o interference ▯  waves interact with each other in two different ways o constructive ▯  two waves of the same phase and frequency interact; amplitude is  the sum of the two waves o destructive ▯  two waves of opposite phase and same amplitude and frequencies  interact; result is no amplitude at all, although the energy of the light waves does  not just disappear o interference pattern  ▯alternate bands of light (constructive) and dark (destructive)  Energy of Light o metal is heated to a high temperature where it emits visible electromagnetic radiation;  wavelength of radiation depends on the temperature; metal glows red, yellow then white o end of 19  century  ▯scientists trying to determine a relationship between the intensity  and the wavelength of the light emitted by a heated body; intensity should increase as  wavelength decreases o intensity of radiation vanishes at every temperature as wavelength approaches zero o ultraviolet catastrophe ▯  failure of classical physics that states that intensity should  increase without bounds as wavelength decreases o emission ▯  absorption spectrum are corresponding; proves that everything changes  continuously Max Planck o 1900: “everything in nature must change continuously “ (classical physics) to atoms  vibrating with a frequency v could emit radiation only in discrete packets (quanta) of  energy o E = hv = En+1 En o Planck constant  ▯ h = 6.626 x 10  Js o As frequency of atomic vibration increases, spacing between allowed energy values of  the quanta also increases o The # of quanta whose energy falls within a fixed range decreases with v, and so less and  less radiation will exist at higher frequencies o Intensity of radiation emitted by a heated body decreases with wavelength o Ultraviolet catastrophe AVERTED Photoelectric Effect  o monochromatic (1 wavelength) light was shone on a metal and an electron was ejected o current flowed if metal was placed in an evacuated chamber along with a positive  terminal o Current due to electrons being ejected from the metal then travelling to a positive  electrode  o not all frequencies of light resulted in this effect o light had to have a threshold frequency before the effect was observed; any light of  higher frequency would result in the ejection of an electron Albert Einstein  o expanded on Planck’s idea of quantized vibrations o suggested that a beam of light consists of a huge # of tiny packets called photons o each photon contains a discrete quantity of energy, which is related to the frequency of  the radiation (or light) o Einstein’s idea explained the photoelectric effect: photons of light with certain  frequencies will possess enough energy to eject an electron; if a photon does not possess  this energy, the electron is not ejected and the current does not flow o Planck’s constant h is the link between wave properties of light and particle properties of  light and allows us to calculate the energy of the photon o E = hv = hc/λ o Inverse relationship  ▯the shorter the wavelength, the greater the energy possessed by the  photons o Light may behave as a wave (continuous) or particle (discrete) o The energy of a photon is dependent on the frequency of light Hydrogen Emission o Only discrete wavelengths of light emitted: 410, 434, 486, 656 nm o Mathematical relationship discovered in 1885 by Johann Balmer, a Swiss high school  physics teacher o Johannes Rydberg adapted Balmer’s work, which resulted in the Rydberg equation: 1/λ = RH(1/m  – 1/n ) m > 1 and n > m m  ▯energy level that the electron is falling to n  ▯energy level that the electron is falling from RH ▯Rydberg constant: 1.097 x 10  m­1 o Balmer series ▯  different values of n lead to the various emission wavelengths 2 2 1/λ = RH(1/2  – 1/n ) * n can be any integer greater than or equal to 3 o Theodore Lyman discovered that electrically excited hydrogen atoms emitted not only  visible light, but also uv light o Lyman Series  ▯ discrete wavelengths such as 97, 102, 122 nm describe by: 1/λ = RH(1/1  – 1/n ) * n can be any integer greater than or equal to 2 o Friedrich Paschen discovered that electrically excited hydrogen atoms also emitted  infrared light; only discrete wavelengths of infrared light were emitted o Paschen Series ▯  discrete wavelength of infrared lights emitted from electrically excited  hydrogen  2 2 1/λ = RH(1/3  – 1/n ) * n can be any integer greater than or equal to 4 The Bohr Model o Niels Bohr proposed that the electron in the hydrogen atom moved about the nucleus in a  circular orbit, and that multiple orbits exist with “quantized” energy o Energy levels of the electron orbits have a discrete set of values o Assigned each orbit/ energy level an integer n, with a fixed distance from the nucleus; as  n increases, the energy difference between it and the next level decreases o The lower the energy, the happier the system; it takes energy to push the electron to a  higher orbit o Ground state ▯  hydrogen’s electron occupies the orbit of the lowest energy (n=1) o Excited state ▯  electron absorbs energy and jumps to a higher energy level; unstable o When an electron returns to a lower energy level, the difference in energy is emitted as  light of a wavelength corresponding to the energy difference  o The Paschen, Balmer and Lyman series are due to transitions from a higher energy level  to n=3, n=2, and n=1 respectively  Deficiencies of the Bohr Model 1. treated electrons as particles, which is not entirely correct since electrons behave as  waves 2. model only works for hydrogen atoms 3. emission spectrum could be altered by placing the sample in a magnetic field, which  affects the spin of the electron 4. did not explain the relative intensities of the emission lines; ex. Why transitions from one  higher level to a lower level wee more probable 5. failed when applied with more than one electron around the nucleus The Quantum Mechanical Model o 1924: Louis de Broglie proposed that tiny particles, such as the electron could also  exhibit wave behavior, in addition to particle behavior λ = h/mv  m= mass v= velocity He is responsible for the wave­particle duality of electron behaviour o Restrictions: since h is so small, the mass and velocity must be very small in order that  the wavelength is large enough to be measureable; therefore, we can only see properties  for very small particles such as electrons o Davisson and Germer observed that a beam of electrons passed through two closely  spaced slits produced an interference pattern identical to that observed for light o Takes a wave approach; electrons are treated as waves that are bound by the positively  charge nucleus at the center of the atom o Wave  ▯disturbance that travels through space and time, usually accompanied by a transfer   of energy o Travelling wave  ▯disturbance that propagates in some direction o Standing wave  ▯disturbance that repeats itself in time with no net translational motion;  fixed at both ends and can only oscillate at certain discrete frequencies; contains points  called nodes, that remain fixed in space o Electro
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