Linjespektre - det er måske et af de vigtige emner, der bliver overvejet i 8. klasses fysikkursus i optikafsnittet. Det er vigtigt, fordi det giver os mulighed for at forstå den atomare struktur, samt at bruge denne viden til at studere vores univers. Lad os overveje dette problem i artiklen.
Begrebet elektromagnetiske spektre
Først og fremmest, lad os forklare, hvad artiklen vil handle om. Alle ved, at det sollys, vi ser, er elektromagnetiske bølger. Enhver bølge er karakteriseret ved to vigtige parametre - dens længde og frekvens (dens tredje, ikke mindre vigtige egenskab er amplituden, som afspejler intensiteten af strålingen).
I tilfælde af elektromagnetisk stråling er begge parametre relateret i følgende ligning: λν=c, hvor de græske bogstaver λ (lambda) og ν (nu) norm alt betegner henholdsvis bølgelængden og dens frekvens, og c er lysets hastighed. Da sidstnævnte er en konstant værdi for vakuum, er længden og frekvensen af elektromagnetiske bølger omvendt proportional med hinanden.
Det elektromagnetiske spektrum i fysik er accepteretbenævn det sæt af forskellige bølgelængder (frekvenser), der udsendes af den tilsvarende strålingskilde. Hvis stoffet absorberer, men ikke udsender bølger, så taler man om et adsorptions- eller absorptionsspektrum.
Hvad er elektromagnetiske spektre?
Generelt er der to kriterier for deres klassificering:
- Efter strålingsfrekvens.
- Ifølge frekvensfordelingsmetoden.
Vi vil ikke dvæle ved overvejelserne om den første type klassifikation i denne artikel. Her vil vi kun kort sige, at der er elektromagnetiske bølger med høje frekvenser, som kaldes gammastråling (>1020 Hz) og røntgenstråler (1018) -10 19 Hz). Det ultraviolette spektrum har allerede lavere frekvenser (1015-1017 Hz). Det synlige eller optiske spektrum ligger i frekvensområdet 1014 Hz, hvilket svarer til et sæt længder fra 400 µm til 700 µm (nogle mennesker er i stand til at se lidt "bredere": fra 380 µm til 780 µm). Lavere frekvenser svarer til det infrarøde eller termiske spektrum samt radiobølger, som allerede kan være flere kilometer lange.
Senere i artiklen vil vi se nærmere på den 2. type klassifikation, som er noteret i listen ovenfor.
Linje- og kontinuerlige emissionsspektre
Absolut ethvert stof, hvis det opvarmes, vil udsende elektromagnetiske bølger. Hvilke frekvenser og bølgelængder vil de være? Svaret på dette spørgsmål afhænger af aggregeringstilstanden for det undersøgte stof.
Væske og faste stoffer udsender som regel et kontinuerligt sæt af frekvenser, det vil sige, at forskellen mellem dem er så lille, at vi kan tale om et kontinuerligt spektrum af stråling. Til gengæld, hvis en atomart gas med lavt tryk opvarmes, vil den begynde at "gløde" og udsende strengt definerede bølgelængder. Hvis sidstnævnte fremkaldes på fotografisk film, vil de være smalle linjer, som hver især er ansvarlige for en bestemt frekvens (bølgelængde). Derfor blev denne type stråling kaldt linjeemissionsspektret.
Mellem linje og kontinuert er der en mellemtype af spektrum, som norm alt udsender en molekylær gas i stedet for en atomart. Denne type er isolerede bånd, som hver især, når de undersøges i detaljer, består af separate smalle linjer.
Linjeabsorptionsspektrum
Alt, hvad der blev sagt i det foregående afsnit, refererede til stråling af bølger fra stof. Men den har også sugeevne. Lad os udføre det sædvanlige eksperiment: lad os tage en kold afladet atomgas (for eksempel argon eller neon) og lade hvidt lys fra en glødelampe passere gennem den. Derefter analyserer vi lysstrømmen, der passerer gennem gassen. Det viser sig, at hvis denne flux dekomponeres i individuelle frekvenser (dette kan gøres ved hjælp af et prisme), så vises sorte bånd i det observerede kontinuerlige spektrum, som indikerer, at disse frekvenser blev absorberet af gassen. I dette tilfælde taler man om et linjeabsorptionsspektrum.
I midten af det XIX århundrede. Tysk videnskabsmand ved navn GustavKirchhoff opdagede en meget interessant egenskab: han bemærkede, at de steder, hvor sorte linjer vises på det kontinuerlige spektrum, svarer nøjagtigt til frekvenserne af strålingen af et givet stof. I øjeblikket kaldes denne funktion for Kirchhoffs lov.
Balmer, Liman og Pashen-serien
Siden slutningen af det 19. århundrede har fysikere over hele verden søgt at forstå, hvad linjespektrene for stråling er. Det blev fundet, at hvert atom i et givet kemisk grundstof under alle forhold udviser den samme emissivitet, dvs. det udsender elektromagnetiske bølger med kun specifikke frekvenser.
De første detaljerede undersøgelser af dette spørgsmål blev udført af den schweiziske fysiker Balmer. I sine eksperimenter brugte han brintgas opvarmet til høje temperaturer. Da brintatomet er det enkleste blandt alle kendte kemiske grundstoffer, er det nemmest at studere funktionerne i strålingsspektret på det. Balmer fik et fantastisk resultat, som han skrev ned som følgende formel:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Her er λ længden af den udsendte bølge, RH - en eller anden konstant værdi, som for brint er lig med 1, 097107 m -1, n er et heltal, der starter fra 3, dvs. 3, 4, 5 osv.
Alle længder λ, som er opnået fra denne formel, ligger inden for det optiske spektrum, der er synligt for mennesker. Denne serie af λ-værdier for brint kaldes spektretBalmer.
Derefter opdagede den amerikanske videnskabsmand Theodore Liman ved hjælp af det passende udstyr det ultraviolette brintspektrum, som han beskrev med en formel svarende til Balmers:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Endelig fik en anden tysk fysiker, Friedrich Paschen, en formel for emission af brint i det infrarøde område:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Ikke desto mindre var det kun udviklingen af kvantemekanikken i 1920'erne, der kunne forklare disse formler.
Rutherford, Bohr og atommodellen
I det første årti af det 20. århundrede udførte Ernest Rutherford (britisk fysiker af New Zealand-oprindelse) mange eksperimenter for at studere radioaktiviteten af forskellige kemiske grundstoffer. Takket være disse undersøgelser blev den første model af atomet født. Rutherford mente, at dette "korn" af stof består af en elektrisk positiv kerne og negative elektroner, der roterer i dens baner. Coulomb-kræfter forklarer, hvorfor atomet "ikke falder fra hinanden", og centrifugalkræfter, der virker på elektroner, er årsagen til, at sidstnævnte ikke falder ind i kernen.
Alt ser ud til at være logisk i denne model, bortset fra et men. Faktum er, at når man bevæger sig langs en krum bane, skal enhver ladet partikel udstråle elektromagnetiske bølger. Men i tilfælde af et stabilt atom observeres denne effekt ikke. Så viser det sig, at selve modellen er forkert?
De nødvendige ændringer blev foretaget i denen anden fysiker er danskeren Niels Bohr. Disse ændringer er nu kendt som hans postulater. Bohr introducerede to forslag i Rutherfords model:
- elektroner bevæger sig i stationære baner i et atom, mens de ikke udsender eller absorberer fotoner;
- strålingsprocessen (absorption) forekommer kun, når en elektron bevæger sig fra en bane til en anden.
Hvad er stationære Bohr-baner, vil vi overveje i næste afsnit.
Kvantisering af energiniveauer
De stationære baner for en elektron i et atom, som Bohr først t alte om, er stabile kvantetilstande for denne partikelbølge. Disse tilstande er karakteriseret ved en vis energi. Det sidste betyder, at elektronen i atomet er i en eller anden energi "brønd". Han kan komme ind i et andet "hul", hvis han modtager yderligere energi udefra i form af en foton.
I linjeabsorptions- og emissionsspektrene for brint, hvis formler er givet ovenfor, kan du se, at det første led i parentes er et tal på formen 1/m2, hvor m=1, 2, 3.. er et heltal. Det afspejler antallet af den stationære bane, hvortil elektronen passerer fra et højere energiniveau n.
Hvordan studerer de spektre i det synlige område?
Det er allerede blevet sagt ovenfor, at der bruges glasprismer til dette. Dette blev først gjort af Isaac Newton i 1666, da han dekomponerede synligt lys i et sæt regnbuefarver. Grunden tilhvilken effekt er observeret, ligger i brydningsindeksets afhængighed af bølgelængden. For eksempel brydes blåt lys (korte bølger) stærkere end rødt lys (lange bølger).
Bemærk, at i det generelle tilfælde, når en stråle af elektromagnetiske bølger bevæger sig i et hvilket som helst materialemedium, brydes og spredes højfrekvente komponenter i denne stråle altid stærkere end de lavfrekvente. Et godt eksempel er himlens blå farve.
Linseoptik og synligt spektrum
Når der arbejdes med linser, bruges sollys ofte. Da det er et kontinuerligt spektrum, brydes dets frekvenser forskelligt, når det passerer gennem linsen. Som følge heraf er den optiske enhed ikke i stand til at samle alt lyset på et punkt, og iriserende nuancer vises. Denne effekt er kendt som kromatisk aberration.
Det angivne problem med linseoptik er delvist løst ved at bruge en kombination af optiske briller i passende instrumenter (mikroskoper, teleskoper).
