Linjespektra - det här är kanske ett av de viktiga ämnena som tas upp i fysikkursen i 8:e klass i optiksektionen. Det är viktigt eftersom det tillåter oss att förstå atomstrukturen, samt att använda denna kunskap för att studera vårt universum. Låt oss överväga det här problemet i artikeln.
Begreppet elektromagnetiska spektra
Först av allt, låt oss förklara vad artikeln kommer att handla om. Alla vet att solljuset vi ser är elektromagnetiska vågor. Varje våg kännetecknas av två viktiga parametrar - dess längd och frekvens (dess tredje, inte mindre viktiga egenskap är amplituden, som återspeglar strålningens intensitet).
När det gäller elektromagnetisk strålning är båda parametrarna relaterade i följande ekvation: λν=c, där de grekiska bokstäverna λ (lambda) och ν (nu) vanligtvis betecknar våglängden respektive dess frekvens, och c är ljusets hastighet. Eftersom det senare är ett konstant värde för vakuum, är längden och frekvensen av elektromagnetiska vågor omvänt proportionella mot varandra.
Det elektromagnetiska spektrumet i fysik är accepteratnämn uppsättningen av olika våglängder (frekvenser) som sänds ut av motsvarande strålningskälla. Om ämnet absorberar, men inte avger vågor, så talar man om ett adsorptions- eller absorptionsspektrum.
Vad är elektromagnetiska spektra?
I allmänhet finns det två kriterier för deras klassificering:
- Efter strålningsfrekvens.
- Enligt frekvensfördelningsmetoden.
Vi kommer inte att uppehålla oss vid övervägandet av den första typen av klassificering i den här artikeln. Här ska vi bara kort säga att det finns elektromagnetiska vågor med höga frekvenser, som kallas gammastrålning (>1020 Hz) och röntgenstrålning (1018) -10 19 Hz). Det ultravioletta spektrumet har redan lägre frekvenser (1015-1017 Hz). Det synliga eller optiska spektrumet ligger i frekvensområdet 1014 Hz, vilket motsvarar en uppsättning längder från 400 µm till 700 µm (vissa människor kan se lite "bredare": från 380 µm till 780 µm). Lägre frekvenser motsvarar det infraröda eller termiska spektrumet, samt radiovågor, som redan kan vara flera kilometer långa.
Längre fram i artikeln ska vi titta närmare på den 2:a typen av klassificering, som är noterad i listan ovan.
Linje- och kontinuerliga emissionsspektra
Absolut alla ämnen, om de värms upp, kommer att avge elektromagnetiska vågor. Vilka frekvenser och våglängder kommer de att vara? Svaret på denna fråga beror på tillståndet för aggregering av ämnet som studeras.
Vätska och fasta ämnen avger som regel en kontinuerlig uppsättning frekvenser, det vill säga skillnaden mellan dem är så liten att vi kan tala om ett kontinuerligt spektrum av strålning. I sin tur, om en atomgas med låga tryck värms upp, kommer den att börja "glöda" och avge strikt definierade våglängder. Om de senare framkallas på fotografisk film kommer de att vara smala linjer, som var och en är ansvarig för en specifik frekvens (våglängd). Därför kallades denna typ av strålning linjeemissionsspektrum.
Mellan linje och kontinuerlig finns en mellanliggande typ av spektrum, som vanligtvis avger en molekylär snarare än en atomgas. Denna typ är isolerade band, som vart och ett, när de granskas i detalj, består av separata smala linjer.
Linjeabsorptionsspektrum
Allt som sades i föregående stycke hänvisade till strålning av vågor från materia. Men den har också uppsugningsförmåga. Låt oss utföra det vanliga experimentet: låt oss ta en kall urladdad atomgas (till exempel argon eller neon) och låt vitt ljus från en glödlampa passera genom den. Därefter analyserar vi ljusflödet som passerar genom gasen. Det visar sig att om detta flöde sönderdelas i individuella frekvenser (detta kan göras med hjälp av ett prisma), så visas svarta band i det observerade kontinuerliga spektrumet, vilket indikerar att dessa frekvenser absorberades av gasen. I det här fallet talar man om ett linjeabsorptionsspektrum.
I mitten av XIX-talet. Tysk vetenskapsman vid namn GustavKirchhoff upptäckte en mycket intressant egenskap: han märkte att de platser där svarta linjer uppträder på det kontinuerliga spektrumet motsvarar exakt frekvenserna för strålningen från ett givet ämne. För närvarande kallas denna funktion för Kirchhoffs lag.
Balmer, Liman och Pashen-serien
Sedan slutet av 1800-talet har fysiker runt om i världen försökt förstå vilka linjespektra för strålning är. Det visade sig att varje atom i ett givet kemiskt element under alla förhållanden uppvisar samma emissivitet, det vill säga att den sänder ut elektromagnetiska vågor med endast specifika frekvenser.
De första detaljerade studierna av denna fråga utfördes av den schweiziska fysikern Balmer. I sina experiment använde han vätgas uppvärmd till höga temperaturer. Eftersom väteatomen är den enklaste bland alla kända kemiska grundämnen, är det lättast att studera egenskaperna hos strålningsspektrumet på den. Balmer fick ett fantastiskt resultat, som han skrev ner som följande formel:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Här är λ längden på den emitterade vågen, RH - något konstant värde, som för väte är lika med 1, 097107 m -1, n är ett heltal som börjar från 3, dvs. 3, 4, 5 etc.
Alla längder λ, som erhålls från denna formel, ligger inom det optiska spektrum som är synligt för människor. Denna serie av λ-värden för väte kallas spektrumBalmer.
Därefter upptäckte den amerikanske forskaren Theodore Liman, med hjälp av lämplig utrustning, det ultravioletta vätespektrumet, som han beskrev med en formel som liknar Balmers:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Äntligen fick en annan tysk fysiker, Friedrich Paschen, en formel för utsläpp av väte i det infraröda området:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Icke desto mindre kunde bara utvecklingen av kvantmekaniken på 1920-talet förklara dessa formler.
Rutherford, Bohr och atommodellen
Under det första decenniet av 1900-talet genomförde Ernest Rutherford (brittisk fysiker av Nya Zeelands ursprung) många experiment för att studera radioaktiviteten hos olika kemiska grundämnen. Tack vare dessa studier föddes den första modellen av atomen. Rutherford trodde att detta "korn" av materia består av en elektriskt positiv kärna och negativa elektroner som roterar i dess banor. Coulombkrafter förklarar varför atomen "inte faller isär", och centrifugalkrafter som verkar på elektroner är anledningen till att de senare inte faller in i kärnan.
Allt verkar vara logiskt i den här modellen, förutom ett men. Faktum är att när man rör sig längs en kurvlinjär bana måste alla laddade partiklar utstråla elektromagnetiska vågor. Men i fallet med en stabil atom observeras inte denna effekt. Då visar det sig att själva modellen är fel?
Nödvändiga ändringar gjordes i denen annan fysiker är dansken Niels Bohr. Dessa ändringar är nu kända som hans postulat. Bohr introducerade två förslag i Rutherfords modell:
- elektroner rör sig i stationära banor i en atom, medan de inte emitterar eller absorberar fotoner;
- strålningsprocessen (absorption) inträffar endast när en elektron rör sig från en bana till en annan.
Vad är stationära Bohr-banor kommer vi att överväga i nästa stycke.
Kvantisering av energinivåer
De stationära banorna för en elektron i en atom, som Bohr först talade om, är stabila kvanttillstånd för denna partikelvåg. Dessa tillstånd kännetecknas av en viss energi. Det senare betyder att elektronen i atomen är i någon energi "brunn". Han kan hamna i en annan "grop" om han får ytterligare energi utifrån i form av en foton.
I linjeabsorptions- och emissionsspektra för väte, vars formler ges ovan, kan du se att den första termen inom parentes är ett tal av formen 1/m2, där m=1, 2, 3.. är ett heltal. Det återspeglar numret på den stationära omloppsbana till vilken elektronen passerar från en högre energinivå n.
Hur studerar de spektra i det synliga området?
Det har redan sagts ovan att glasprismor används för detta. Detta gjordes först av Isaac Newton 1666, när han sönderdelade synligt ljus i en uppsättning regnbågsfärger. Orsaken tillvilken denna effekt observeras ligger i brytningsindexets beroende av våglängden. Till exempel bryts blått ljus (korta vågor) starkare än rött ljus (långa vågor).
Notera att i det allmänna fallet, när en stråle av elektromagnetiska vågor rör sig i något materialmedium, bryts och sprids de högfrekventa komponenterna i denna stråle alltid starkare än de lågfrekventa. Ett utmärkt exempel är himlens blå färg.
Linsoptik och synligt spektrum
När man arbetar med linser används ofta solljus. Eftersom det är ett kontinuerligt spektrum, när det passerar genom linsen, bryts dess frekvenser olika. Som ett resultat kan den optiska enheten inte samla allt ljus på en punkt, och iriserande nyanser visas. Denna effekt är känd som kromatisk aberration.
Det angivna problemet med linsoptik löses delvis genom att använda en kombination av optiska glasögon i lämpliga instrument (mikroskop, teleskop).
