Linjespektra - dette er kanskje et av de viktige temaene som vurderes i 8. klasse fysikkkurs i optikkseksjonen. Det er viktig fordi det lar oss forstå atomstrukturen, samt å bruke denne kunnskapen til å studere universet vårt. La oss vurdere dette problemet i artikkelen.
Konseptet med elektromagnetiske spektra
Først av alt, la oss forklare hva artikkelen skal handle om. Alle vet at sollyset vi ser er elektromagnetiske bølger. Enhver bølge er preget av to viktige parametere - dens lengde og frekvens (dens tredje, ikke mindre viktige egenskap er amplituden, som reflekterer intensiteten til strålingen).
Når det gjelder elektromagnetisk stråling, er begge parametere relatert i følgende ligning: λν=c, hvor de greske bokstavene λ (lambda) og ν (nu) vanligvis betegner henholdsvis bølgelengden og dens frekvens, og c er lysets hastighet. Siden sistnevnte er en konstant verdi for vakuum, er lengden og frekvensen til elektromagnetiske bølger omvendt proporsjonale med hverandre.
Det elektromagnetiske spekteret i fysikk er akseptertnavngi settet med forskjellige bølgelengder (frekvenser) som sendes ut av den tilsvarende strålingskilden. Hvis stoffet absorberer, men ikke avgir bølger, så snakker man om et adsorpsjons- eller absorpsjonsspektrum.
Hva er elektromagnetiske spektre?
Generelt er det to kriterier for deres klassifisering:
- Etter strålingsfrekvens.
- I henhold til frekvensdistribusjonsmetoden.
Vi vil ikke dvele ved vurderingen av den første typen klassifisering i denne artikkelen. Her vil vi bare kort si at det er elektromagnetiske bølger med høye frekvenser, som kalles gammastråling (>1020 Hz) og røntgen (1018) -10 19 Hz). Det ultrafiolette spekteret har allerede lavere frekvenser (1015-1017 Hz). Det synlige eller optiske spekteret ligger i frekvensområdet 1014 Hz, som tilsvarer et sett med lengder fra 400 µm til 700 µm (noen mennesker er i stand til å se litt "bredere": fra 380 µm til 780 µm). Lavere frekvenser tilsvarer det infrarøde eller termiske spekteret, samt radiobølger, som allerede kan være flere kilometer lange.
Senere i artikkelen skal vi se nærmere på 2. type klassifisering, som er notert i listen ovenfor.
Line og kontinuerlige utslippsspektra
Absolutt alle stoffer, hvis de varmes opp, vil avgi elektromagnetiske bølger. Hvilke frekvenser og bølgelengder vil de være? Svaret på dette spørsmålet avhenger av aggregeringstilstanden til stoffet som studeres.
Væske og faste stoffer sender som regel ut et kontinuerlig sett med frekvenser, det vil si at forskjellen mellom dem er så liten at vi kan snakke om et kontinuerlig spektrum av stråling. I sin tur, hvis en atomgass med lavt trykk varmes opp, vil den begynne å "gløde", og avgir strengt definerte bølgelengder. Hvis sistnevnte er fremk alt på fotografisk film, vil de være smale linjer, som hver er ansvarlig for en bestemt frekvens (bølgelengde). Derfor ble denne typen stråling k alt linjeemisjonsspekteret.
Mellom linje og kontinuerlig er det en mellomtype spektrum, som vanligvis avgir en molekylær gass i stedet for en atomgass. Denne typen er isolerte bånd, som hver, når de undersøkes i detalj, består av separate smale linjer.
Linjeabsorpsjonsspektrum
Alt som ble sagt i forrige avsnitt refererte til stråling av bølger fra materie. Men den har også absorberingsevne. La oss utføre det vanlige eksperimentet: la oss ta en kald utladet atomgass (for eksempel argon eller neon) og la hvitt lys fra en glødelampe passere gjennom den. Etter det analyserer vi lysstrømmen som passerer gjennom gassen. Det viser seg at hvis denne fluksen dekomponeres til individuelle frekvenser (dette kan gjøres ved hjelp av et prisme), vises svarte bånd i det observerte kontinuerlige spekteret, som indikerer at disse frekvensene ble absorbert av gassen. I dette tilfellet snakker man om et linjeabsorpsjonsspektrum.
I midten av XIX århundre. Tysk vitenskapsmann ved navn GustavKirchhoff oppdaget en veldig interessant egenskap: han la merke til at stedene der svarte linjer vises på det kontinuerlige spekteret samsvarer nøyaktig med frekvensene til strålingen til et gitt stoff. For øyeblikket kalles denne funksjonen Kirchhoffs lov.
Balmer, Liman og Pashen-serien
Siden slutten av 1800-tallet har fysikere over hele verden forsøkt å forstå hva linjespektrene til stråling er. Det ble funnet at hvert atom i et gitt kjemisk grunnstoff under alle forhold viser den samme emissiviteten, det vil si at det sender ut elektromagnetiske bølger med bare spesifikke frekvenser.
De første detaljerte studiene av dette problemet ble utført av den sveitsiske fysikeren Balmer. I sine eksperimenter brukte han hydrogengass oppvarmet til høye temperaturer. Siden hydrogenatomet er det enkleste blant alle kjente kjemiske elementer, er det lettest å studere funksjonene til strålingsspekteret på det. Balmer fikk et fantastisk resultat, som han skrev ned som følgende formel:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Her er λ lengden på den utsendte bølgen, RH - en konstant verdi, som for hydrogen er lik 1, 097107 m -1, n er et heltall som starter fra 3, dvs. 3, 4, 5 osv.
Alle lengder λ, som er hentet fra denne formelen, ligger innenfor det optiske spekteret som er synlig for mennesker. Denne serien med λ-verdier for hydrogen kalles spekteretBalmer.
Deretter oppdaget den amerikanske forskeren Theodore Liman ved bruk av riktig utstyr det ultrafiolette hydrogenspekteret, som han beskrev med en formel som ligner på Balmers:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Til slutt fikk en annen tysk fysiker, Friedrich Paschen, en formel for utslipp av hydrogen i det infrarøde området:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Likevel var det bare utviklingen av kvantemekanikk på 1920-tallet som kunne forklare disse formlene.
Rutherford, Bohr og atommodellen
I det første tiåret av 1900-tallet gjennomførte Ernest Rutherford (britisk fysiker av New Zealand-opprinnelse) mange eksperimenter for å studere radioaktiviteten til forskjellige kjemiske elementer. Takket være disse studiene ble den første modellen av atomet født. Rutherford mente at dette "kornet" av materie består av en elektrisk positiv kjerne og negative elektroner som roterer i banene. Coulomb-krefter forklarer hvorfor atomet "ikke faller fra hverandre", og sentrifugalkrefter som virker på elektroner er årsaken til at sistnevnte ikke faller inn i kjernen.
Alt ser ut til å være logisk i denne modellen, bortsett fra ett men. Faktum er at når man beveger seg langs en krumlinjet bane, må enhver ladet partikkel utstråle elektromagnetiske bølger. Men når det gjelder et stabilt atom, observeres ikke denne effekten. Da viser det seg at selve modellen er feil?
De nødvendige endringene ble gjort i denen annen fysiker er dansken Niels Bohr. Disse endringene er nå kjent som postulatene hans. Bohr introduserte to forslag i Rutherfords modell:
- elektroner beveger seg i stasjonære baner i et atom, mens de ikke sender ut eller absorberer fotoner;
- prosessen med stråling (absorpsjon) skjer bare når et elektron beveger seg fra en bane til en annen.
Hva er stasjonære Bohr-baner, vil vi vurdere i neste avsnitt.
Kvantisering av energinivåer
De stasjonære banene til et elektron i et atom, som Bohr først snakket om, er stabile kvantetilstander for denne partikkelbølgen. Disse tilstandene er preget av en viss energi. Det siste betyr at elektronet i atomet er i en eller annen energi "brønn". Han kan komme inn i en annen "grop" hvis han mottar ekstra energi fra utsiden i form av et foton.
I linjeabsorpsjons- og emisjonsspektrene for hydrogen, hvis formler er gitt ovenfor, kan du se at det første leddet i parentes er et tall av formen 1/m2, hvor m=1, 2, 3.. er et heltall. Det gjenspeiler nummeret på den stasjonære banen som elektronet går til fra et høyere energinivå n.
Hvordan studerer de spektre i det synlige området?
Det er allerede sagt ovenfor at det brukes glassprismer til dette. Dette ble først gjort av Isaac Newton i 1666, da han dekomponerte synlig lys til et sett med regnbuefarger. Grunnen tilsom denne effekten er observert ligger i avhengigheten av brytningsindeksen på bølgelengden. For eksempel brytes blått lys (korte bølger) sterkere enn rødt lys (lange bølger).
Merk at i det generelle tilfellet, når en stråle av elektromagnetiske bølger beveger seg i et hvilket som helst materiellt medium, blir høyfrekvente komponentene til denne strålen alltid brutt og spredt sterkere enn de lavfrekvente. Et godt eksempel er den blå fargen på himmelen.
Linseoptikk og synlig spektrum
Når du arbeider med linser, brukes ofte sollys. Siden det er et kontinuerlig spektrum, brytes frekvensene annerledes når de passerer gjennom linsen. Som et resultat er den optiske enheten ikke i stand til å samle alt lyset på ett punkt, og iriserende nyanser vises. Denne effekten er kjent som kromatisk aberrasjon.
Det angitte problemet med linseoptikk er delvis løst ved å bruke en kombinasjon av optiske briller i passende instrumenter (mikroskoper, teleskoper).
