Linijski spektri - to je morda ena izmed pomembnih tem, ki se obravnavajo pri predmetu fizike 8. razreda v oddelku za optiko. Pomemben je, ker nam omogoča razumevanje atomske strukture, pa tudi uporabo tega znanja za preučevanje našega Vesolja. Razmislimo o tem vprašanju v članku.
Koncept elektromagnetnih spektrov
Najprej razložimo, o čem bo članek. Vsi vedo, da so sončna svetloba, ki jo vidimo, elektromagnetno valovanje. Za vsak val sta značilna dva pomembna parametra - njegova dolžina in frekvenca (njegova tretja, nič manj pomembna lastnost je amplituda, ki odraža intenzivnost sevanja).
V primeru elektromagnetnega sevanja sta oba parametra povezana z naslednjo enačbo: λν=c, kjer grški črki λ (lambda) in ν (nu) običajno označujeta valovno dolžino oziroma njeno frekvenco, in c je hitrost svetlobe. Ker je slednja konstantna vrednost za vakuum, sta dolžina in frekvenca elektromagnetnih valov obratno sorazmerni drug drugemu.
Elektromagnetni spekter v fiziki je sprejetpoimenuj množico različnih valovnih dolžin (frekvenc), ki jih oddaja ustrezni vir sevanja. Če snov absorbira, vendar ne oddaja valov, potem govorimo o adsorpciji ali absorpcijskem spektru.
Kaj so elektromagnetni spektri?
Na splošno obstajata dva merila za njihovo razvrstitev:
- Po frekvenci sevanja.
- Po metodi porazdelitve frekvenc.
V tem članku se ne bomo zadrževali pri obravnavi 1. vrste klasifikacije. Tukaj bomo le na kratko povedali, da obstajajo elektromagnetni valovi visokih frekvenc, ki jih imenujemo gama sevanje (>1020 Hz) in rentgenski žarki (1018). -10 19 Hz). Ultravijolični spekter je že nižje frekvence (1015-1017 Hz). Vidni ali optični spekter leži v frekvenčnem območju 1014 Hz, kar ustreza nizu dolžin od 400 µm do 700 µm (nekateri ljudje lahko vidijo malo "širše": od 380 µm do 780 µm). Nižje frekvence ustrezajo infrardečemu ali toplotnemu spektru, pa tudi radijskim valovom, ki so lahko dolgi že več kilometrov.
Pozneje v članku si bomo podrobneje ogledali 2. vrsto klasifikacije, ki je navedena na zgornjem seznamu.
Linijski in kontinuirani emisijski spektri
Popolnoma vsaka snov, če se segreje, oddaja elektromagnetne valove. Kakšne frekvence in valovne dolžine bodo? Odgovor na to vprašanje je odvisen od agregacijskega stanja preučevane snovi.
Tekočine in trdne snovi praviloma oddajajo neprekinjen niz frekvenc, torej je razlika med njima tako majhna, da lahko govorimo o neprekinjenem spektru sevanja. Če pa atomski plin z nizkim tlakom segrejemo, bo začel "žareti" in oddajati strogo določene valovne dolžine. Če so slednje razviti na fotografskem filmu, bodo to ozke črte, od katerih je vsaka odgovorna za določeno frekvenco (valovno dolžino). Zato se je ta vrsta sevanja imenovala linijski emisijski spekter.
Med črto in neprekinjenim je vmesna vrsta spektra, ki običajno oddaja molekularni in ne atomski plin. Ta vrsta so izolirani pasovi, od katerih je vsak ob podrobnem pregledu sestavljen iz ločenih ozkih črt.
Linijski absorpcijski spekter
Vse, kar je bilo povedano v prejšnjem odstavku, se je nanašalo na sevanje valov s snovjo. Ima pa tudi vpojnost. Izvedemo običajen poskus: vzemimo hladno izpraznjen atomski plin (na primer argon ali neon) in pustimo, da skoznje prehaja belo svetlobo iz žarnice. Po tem analiziramo svetlobni tok, ki prehaja skozi plin. Izkazalo se je, da če ta tok razgradimo na posamezne frekvence (to je mogoče storiti s prizmo), se v opazovanem neprekinjenem spektru pojavijo črni pasovi, ki kažejo, da je te frekvence absorbiral plin. V tem primeru govorimo o linijskem absorpcijskem spektru.
Sredi XIX stoletja. Nemški znanstvenik po imenu GustavKirchhoff je odkril zelo zanimivo lastnost: opazil je, da mesta, kjer se pojavljajo črne črte na neprekinjenem spektru, natančno ustrezajo frekvencam sevanja dane snovi. Trenutno se ta lastnost imenuje Kirchhoffov zakon.
serija Balmer, Liman in Pashen
Od konca 19. stoletja so fiziki po vsem svetu poskušali razumeti, kaj so linijski spektri sevanja. Ugotovljeno je bilo, da ima vsak atom določenega kemičnega elementa pod kakršnimi koli pogoji enako oddajno sposobnost, to pomeni, da oddaja elektromagnetne valove samo določenih frekvenc.
Prve podrobne študije tega vprašanja je izvedel švicarski fizik Balmer. V svojih poskusih je uporabljal vodikov plin, segret na visoke temperature. Ker je atom vodika najpreprostejši med vsemi znanimi kemičnimi elementi, je na njem najlažje preučiti značilnosti spektra sevanja. Balmer je dobil neverjeten rezultat, ki ga je zapisal kot naslednjo formulo:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Tukaj je λ dolžina oddanega vala, RH - neka konstantna vrednost, ki je za vodik enaka 1, 097107 m -1, n je celo število, ki se začne od 3, tj. 3, 4, 5 itd.
Vse dolžine λ, ki jih dobimo s to formulo, ležijo znotraj optičnega spektra, ki je viden ljudem. Ta serija vrednosti λ za vodik se imenuje spekterBalmer.
Pozneje je ameriški znanstvenik Theodore Liman z ustrezno opremo odkril ultravijolični vodikov spekter, ki ga je opisal s formulo, podobno Balmerjevi:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Nazadnje je še en nemški fizik, Friedrich Paschen, pridobil formulo za emisijo vodika v infrardečem območju:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Kljub temu je te formule lahko razložil le razvoj kvantne mehanike v dvajsetih letih prejšnjega stoletja.
Rutherford, Bohr in atomski model
V prvem desetletju 20. stoletja je Ernest Rutherford (britanski fizik novozelandskega porekla) izvedel številne poskuse za preučevanje radioaktivnosti različnih kemičnih elementov. Zahvaljujoč tem študijam se je rodil prvi model atoma. Rutherford je verjel, da je to "zrno" snovi sestavljeno iz električno pozitivnega jedra in negativnih elektronov, ki se vrtijo v njegovih orbitah. Coulombove sile pojasnjujejo, zakaj atom "ne razpade", centrifugalne sile, ki delujejo na elektrone, pa so razlog, zakaj slednji ne padejo v jedro.
V tem modelu se zdi, da je vse logično, razen enega toda. Dejstvo je, da mora pri premikanju po krivolinijski poti vsak nabit delec oddajati elektromagnetne valove. Toda v primeru stabilnega atoma tega učinka ni opaziti. Potem se izkaže, da je sam model napačen?
Vnesli so potrebne spremembedrugi fizik je Danec Niels Bohr. Ti amandmaji so zdaj znani kot njegovi postulati. Bohr je v Rutherfordov model uvedel dva predloga:
- elektroni se premikajo po stacionarnih orbitah v atomu, medtem ko ne oddajajo ali absorbirajo fotonov;
- proces sevanja (absorpcije) se pojavi samo, ko se elektron premika iz ene orbite v drugo.
Kaj so stacionarne Bohrove orbite, bomo obravnavali v naslednjem odstavku.
Kvantizacija ravni energije
Stacionarne orbite elektrona v atomu, o katerih je Bohr prvi govoril, so stabilna kvantna stanja tega valovanja delcev. Za ta stanja je značilna določena energija. Slednje pomeni, da je elektron v atomu v nekem energijskem "vodnjaku". V drugo "jamo" lahko pride, če prejme dodatno energijo od zunaj v obliki fotona.
V linijskih absorpcijskih in emisijskih spektrih za vodik, katerih formule so podane zgoraj, lahko vidite, da je prvi člen v oklepaju število v obliki 1/m2, kjer je m=1, 2, 3.. celo število. Odraža število stacionarne orbite, na katero preide elektron z višje energetske ravni n.
Kako preučujejo spektre v vidnem območju?
Zgoraj je bilo že rečeno, da se za to uporabljajo steklene prizme. Prvi je to storil Isaac Newton leta 1666, ko je razkrojil vidno svetlobo v niz mavričnih barv. Razlog zaki se ta učinek opazi, je v odvisnosti lomnega količnika od valovne dolžine. Na primer, modra svetloba (kratki valovi) se lomi močneje kot rdeča svetloba (dolgi valovi).
Upoštevajte, da se v splošnem primeru, ko se snop elektromagnetnih valov premika v katerem koli materialnem mediju, visokofrekvenčne komponente tega žarka vedno lomijo in razpršijo močneje kot nizkofrekvenčne. Odličen primer je modra barva neba.
Optika leče in vidni spekter
Pri delu z lečami se pogosto uporablja sončna svetloba. Ker gre za neprekinjen spekter, se pri prehodu skozi lečo njegove frekvence različno lomijo. Posledično optična naprava ne more zbrati vse svetlobe na enem mestu in pojavijo se mavrični odtenki. Ta učinek je znan kot kromatska aberacija.
Naveden problem optike leč je delno rešen z uporabo kombinacije optičnih stekel v ustreznih instrumentih (mikroskopi, teleskopi).
