Widma liniowe - to prawdopodobnie jeden z ważnych tematów, które są rozważane na kursie fizyki 8 klasy w dziale optyki. Jest to ważne, ponieważ pozwala nam zrozumieć budowę atomową, a także wykorzystać tę wiedzę do badania naszego Wszechświata. Rozważmy tę kwestię w artykule.
Pojęcie widm elektromagnetycznych
Przede wszystkim wyjaśnijmy, o czym będzie artykuł. Wszyscy wiedzą, że światło słoneczne, które widzimy, to fale elektromagnetyczne. Każda fala charakteryzuje się dwoma ważnymi parametrami - długością i częstotliwością (trzecią, nie mniej ważną właściwością jest amplituda, która odzwierciedla natężenie promieniowania).
W przypadku promieniowania elektromagnetycznego oba parametry są powiązane następującym równaniem: λν=c, gdzie greckie litery λ (lambda) i ν (nu) zwykle oznaczają odpowiednio długość fali i jej częstotliwość, ic jest prędkością światła. Ponieważ ta ostatnia jest wartością stałą dla próżni, długość i częstotliwość fal elektromagnetycznych są do siebie odwrotnie proporcjonalne.
Zaakceptowane jest widmo elektromagnetyczne w fizycenazwij zbiór różnych długości fal (częstotliwości), które są emitowane przez odpowiednie źródło promieniowania. Jeśli substancja pochłania, ale nie emituje fal, to mówi się o spektrum adsorpcji lub absorpcji.
Co to są widma elektromagnetyczne?
Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa kryteria ich klasyfikacji:
- Według częstotliwości promieniowania.
- Zgodnie z metodą dystrybucji częstotliwości.
Nie będziemy się rozwodzić nad rozważaniem pierwszego typu klasyfikacji w tym artykule. Tutaj tylko pokrótce powiemy, że istnieją fale elektromagnetyczne o wysokich częstotliwościach, które nazywane są promieniowaniem gamma (>1020 Hz) i promieniowaniem rentgenowskim (1018 -10 19 Hz). Widmo ultrafioletowe ma już niższe częstotliwości (1015-1017 Hz). Widmo widzialne lub optyczne leży w zakresie częstotliwości 1014 Hz, co odpowiada zestawowi długości od 400 µm do 700 µm (niektórzy ludzie są w stanie zobaczyć trochę „szerszy”): od 380 µm do 780 µm). Niższe częstotliwości odpowiadają widmu podczerwonemu lub termicznemu, a także falom radiowym, które mogą mieć już kilka kilometrów długości.
W dalszej części artykułu przyjrzymy się bliżej drugiemu typowi klasyfikacji, który jest odnotowany na powyższej liście.
Widma emisji liniowej i ciągłej
Absolutnie każda substancja po podgrzaniu będzie emitować fale elektromagnetyczne. Jakie będą częstotliwości i długości fal? Odpowiedź na to pytanie zależy od stanu skupienia badanej substancji.
Ciecze i ciała stałe emitują z reguły ciągły zestaw częstotliwości, to znaczy różnica między nimi jest tak mała, że możemy mówić o ciągłym widmie promieniowania. Z kolei, jeśli gaz atomowy o niskim ciśnieniu zostanie podgrzany, zacznie „świecić”, emitując ściśle określone długości fal. Jeśli te ostatnie zostaną wywołane na kliszy fotograficznej, będą to wąskie linie, z których każda odpowiada za określoną częstotliwość (długość fali). Dlatego ten rodzaj promieniowania nazwano widmem emisyjnym liniowym.
Pomiędzy linią a ciągłością występuje pośredni typ widma, które zwykle emituje raczej gaz cząsteczkowy niż atomowy. Ten typ to izolowane pasma, z których każdy, po szczegółowym zbadaniu, składa się z oddzielnych wąskich linii.
Widmo absorpcji liniowej
Wszystko, co zostało powiedziane w poprzednim akapicie, dotyczyło promieniowania fal przez materię. Ale ma też chłonność. Przeprowadźmy zwykły eksperyment: weźmy zimny wyładowany gaz atomowy (na przykład argon lub neon) i przepuśćmy przez niego białe światło z żarówki. Następnie analizujemy strumień światła przechodzący przez gaz. Okazuje się, że jeśli strumień ten rozłożymy na poszczególne częstotliwości (można to zrobić za pomocą pryzmatu), to w obserwowanym widmie ciągłym pojawiają się czarne pasma, które wskazują, że te częstotliwości zostały pochłonięte przez gaz. W tym przypadku mówi się o widmie absorpcji liniowej.
W połowie XIX wieku. Niemiecki naukowiec o nazwisku GustavKirchhoff odkrył bardzo ciekawą właściwość: zauważył, że miejsca, w których pojawiają się czarne linie w widmie ciągłym, odpowiadają dokładnie częstotliwościom promieniowania danej substancji. Obecnie ta funkcja nazywa się prawem Kirchhoffa.
Seria Balmer, Liman i Pashen
Od końca XIX wieku fizycy na całym świecie starają się zrozumieć, czym są widma liniowe promieniowania. Stwierdzono, że każdy atom danego pierwiastka chemicznego w każdych warunkach wykazuje taką samą emisyjność, czyli emituje fale elektromagnetyczne o określonych częstotliwościach.
Pierwsze szczegółowe badania tego zagadnienia przeprowadził szwajcarski fizyk Balmer. W swoich eksperymentach wykorzystywał gazowy wodór podgrzany do wysokich temperatur. Ponieważ atom wodoru jest najprostszym spośród wszystkich znanych pierwiastków chemicznych, najłatwiej jest na nim zbadać cechy widma promieniowania. Balmer uzyskał niesamowity wynik, który zapisał jako następującą formułę:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Tutaj λ to długość emitowanej fali, RH - pewna stała wartość, która dla wodoru jest równa 1,097107 m -1, n jest liczbą całkowitą zaczynającą się od 3, tj. 3, 4, 5 itd.
Wszystkie długości λ, które otrzymuje się z tego wzoru, leżą w widmie optycznym widocznym dla człowieka. Ta seria wartości λ dla wodoru nazywana jest widmemBalsam.
Następnie, używając odpowiedniego sprzętu, amerykański naukowiec Theodore Liman odkrył widmo wodoru w ultrafiolecie, które opisał wzorem podobnym do Balmera:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
W końcu inny niemiecki fizyk, Friedrich Paschen, uzyskał wzór na emisję wodoru w obszarze podczerwieni:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Niemniej jednak dopiero rozwój mechaniki kwantowej w latach dwudziestych XX wieku mógł wyjaśnić te formuły.
Rutherford, Bohr i model atomowy
W pierwszej dekadzie XX wieku Ernest Rutherford (brytyjski fizyk nowozelandzkiego pochodzenia) przeprowadził wiele eksperymentów w celu zbadania radioaktywności różnych pierwiastków chemicznych. Dzięki tym badaniom narodził się pierwszy model atomu. Rutherford uważał, że to „ziarno” materii składa się z elektrycznie dodatniego jądra i ujemnych elektronów obracających się po jego orbitach. Siły kulombowskie wyjaśniają, dlaczego atom „nie rozpada się”, a siły odśrodkowe działające na elektrony powodują, że te ostatnie nie wpadają do jądra.
W tym modelu wszystko wydaje się logiczne, z wyjątkiem jednego ale. Faktem jest, że poruszając się po krzywoliniowej trajektorii, każda naładowana cząstka musi promieniować falami elektromagnetycznymi. Ale w przypadku stabilnego atomu tego efektu nie obserwuje się. Potem okazuje się, że sam model jest zły?
Wprowadzono w nim niezbędne poprawkiinnym fizykiem jest Duńczyk Niels Bohr. Poprawki te są obecnie znane jako jego postulaty. Bohr wprowadził do modelu Rutherforda dwie tezy:
- elektrony poruszają się po orbitach stacjonarnych w atomie, podczas gdy nie emitują ani nie absorbują fotonów;
- proces promieniowania (absorpcji) zachodzi tylko wtedy, gdy elektron przemieszcza się z jednej orbity na drugą.
Czym są stacjonarne orbity Bohra, rozważymy w następnym akapicie.
Kwantyzowanie poziomów energii
Stacjonarne orbity elektronu w atomie, o których Bohr mówił po raz pierwszy, są stabilnymi stanami kwantowymi tej fali cząsteczkowej. Stany te charakteryzują się pewną energią. To ostatnie oznacza, że elektron w atomie znajduje się w pewnej „dobrze” energii. Może dostać się do innego „dołu”, jeśli otrzyma dodatkową energię z zewnątrz w postaci fotonu.
W widmach absorpcyjnych i emisyjnych dla wodoru, których wzory podano powyżej, widać, że pierwszy wyraz w nawiasie jest liczbą w postaci 1/m2, gdzie m=1, 2, 3.. jest liczbą całkowitą. Odzwierciedla numer orbity stacjonarnej, na którą przechodzi elektron z wyższego poziomu energii n.
Jak badają widma w zakresie widzialnym?
Jak już zostało powiedziane powyżej, używa się do tego szklanych pryzmatów. Po raz pierwszy zrobił to Izaak Newton w 1666 roku, rozkładając światło widzialne na zestaw kolorów tęczy. Powód dlaktóry ten efekt jest obserwowany polega na zależności współczynnika załamania światła od długości fali. Na przykład światło niebieskie (fale krótkie) jest załamywane silniej niż światło czerwone (fale długie).
Zauważ, że w ogólnym przypadku, gdy wiązka fal elektromagnetycznych porusza się w dowolnym materialnym ośrodku, wysokoczęstotliwościowe składowe tej wiązki są zawsze załamywane i rozpraszane silniej niż niskoczęstotliwościowe. Doskonałym przykładem jest niebieski kolor nieba.
Optyka soczewki i widmo widzialne
Podczas pracy z soczewkami często wykorzystywane jest światło słoneczne. Ponieważ jest to widmo ciągłe, podczas przechodzenia przez soczewkę jego częstotliwości są załamywane inaczej. W rezultacie urządzenie optyczne nie jest w stanie zebrać całego światła w jednym punkcie i pojawiają się opalizujące odcienie. Ten efekt jest znany jako aberracja chromatyczna.
Wskazywany problem optyki soczewkowej został częściowo rozwiązany przez zastosowanie kombinacji okularów optycznych w odpowiednich instrumentach (mikroskopy, teleskopy).
