Vonal-spektrumok – ez talán az egyik fontos téma, amelyet a 8. osztályos fizikakurzus optika szekciójában tárgyalnak. Ez azért fontos, mert lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük az atomi szerkezetet, és ezt a tudást felhasználjuk Univerzumunk tanulmányozására. Vizsgáljuk meg ezt a kérdést a cikkben.
Az elektromágneses spektrum fogalma
Először is magyarázzuk el, miről fog szólni a cikk. Mindenki tudja, hogy a napfény, amit látunk, elektromágneses hullámok. Bármely hullámot két fontos paraméter jellemez - a hossza és a frekvencia (harmadik, nem kevésbé fontos tulajdonsága az amplitúdó, amely a sugárzás intenzitását tükrözi).
Elektromágneses sugárzás esetén mindkét paraméter összefügg a következő egyenletben: λν=c, ahol a görög λ (lambda) és ν (nu) betűk általában a hullámhosszt, illetve annak frekvenciáját jelölik, és c a fénysebesség. Mivel ez utóbbi a vákuum állandó értéke, az elektromágneses hullámok hossza és frekvenciája fordítottan arányos egymással.
A fizikában elfogadott elektromágneses spektrumnevezze meg a megfelelő sugárforrás által kibocsátott különböző hullámhosszak (frekvenciák) halmazát. Ha az anyag elnyeli, de nem bocsát ki hullámokat, akkor adszorpciós vagy abszorpciós spektrumról beszélünk.
Mik azok az elektromágneses spektrumok?
Általában két kritérium van a besorolásukhoz:
- Sugárzási frekvencia szerint.
- A frekvenciaelosztási módszer szerint.
E cikkben nem foglalkozunk az 1. osztályozási típussal. Itt csak röviden elmondjuk, hogy vannak magas frekvenciájú elektromágneses hullámok, amelyeket gamma-sugárzásnak (>1020 Hz) és röntgensugárzásnak (1018) nevezünk. -10 19 Hz). Az ultraibolya spektrum már alacsonyabb frekvenciájú (1015-1017 Hz). A látható vagy optikai spektrum a 1014 Hz frekvenciatartományban található, ami egy 400 µm és 700 µm közötti hosszkészletnek felel meg (néhány ember egy kicsit "tágabban" lát): 380 µm-ről 780 µm-re). Az alacsonyabb frekvenciák megfelelnek az infravörös vagy termikus spektrumnak, valamint a rádióhullámoknak, amelyek már több kilométer hosszúak is lehetnek.
A cikk későbbi részében közelebbről megvizsgáljuk a 2. osztályozási típust, amely a fenti listában található.
Vonal és folytonos emissziós spektrumok
Abszolút minden anyag, ha melegítjük, elektromágneses hullámokat bocsát ki. Milyen frekvenciák és hullámhosszúak lesznek? A kérdésre adott válasz a vizsgált anyag aggregációs állapotától függ.
A folyékony és a szilárd testek általában folytonos frekvenciakészletet bocsátanak ki, vagyis olyan kicsi a különbség köztük, hogy folytonos sugárzási spektrumról beszélhetünk. Ha viszont egy alacsony nyomású atomgázt felmelegítenek, akkor az "izzik", szigorúan meghatározott hullámhosszokat bocsát ki. Ha az utóbbiakat fotófilmre fejlesztik, akkor keskeny vonalak lesznek, amelyek mindegyike egy adott frekvenciáért (hullámhosszért) felelős. Ezért ezt a fajta sugárzást vonalemissziós spektrumnak nevezték.
A vonal és a folytonos között van egy közbenső típusú spektrum, amely általában molekuláris, nem pedig atomos gázt bocsát ki. Ez a típus elszigetelt sávok, amelyek mindegyike, ha részletesen megvizsgáljuk, különálló keskeny vonalakból áll.
Vonalabszorpciós spektrum
Az előző bekezdésben elmondottak a hullámok anyag általi sugárzására vonatkoztak. De van nedvszívó képessége is. Végezzük el a szokásos kísérletet: vegyünk egy hidegkisülésű atomgázt (például argont vagy neont), és engedjük át rajta az izzólámpa fehér fényét. Ezt követően elemezzük a gázon áthaladó fényáramot. Kiderül, hogy ha ezt a fluxust egyedi frekvenciákra bontjuk (ez egy prizma segítségével is megtehető), akkor a megfigyelt folytonos spektrumban fekete sávok jelennek meg, amelyek azt jelzik, hogy ezeket a frekvenciákat elnyelte a gáz. Ebben az esetben vonalabszorpciós spektrumról beszélünk.
A XIX. század közepén. Gustav nevű német tudósKirchhoff egy nagyon érdekes tulajdonságot fedezett fel: észrevette, hogy azok a helyek, ahol a folytonos spektrumon fekete vonalak jelennek meg, pontosan megfelelnek egy adott anyag sugárzási frekvenciájának. Jelenleg ezt a jellemzőt Kirchhoff-törvénynek hívják.
Balmer, Liman és Pashen sorozat
A 19. század vége óta a fizikusok világszerte arra törekedtek, hogy megértsék, mi a sugárzás vonalspektruma. Azt találták, hogy egy adott kémiai elem minden atomja bármilyen körülmények között azonos emissziót mutat, azaz csak meghatározott frekvenciájú elektromágneses hullámokat bocsát ki.
Az első részletes tanulmányokat a kérdéssel kapcsolatban Balmer svájci fizikus végezte. Kísérleteiben magas hőmérsékletre hevített hidrogéngázt használt. Mivel a hidrogénatom a legegyszerűbb az összes ismert kémiai elem közül, a sugárzási spektrum jellemzőit rajta a legkönnyebb tanulmányozni. Balmer csodálatos eredményt ért el, amit a következő képletként írt le:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Itt λ a kibocsátott hullám hossza, RH - valamilyen állandó érték, amely hidrogén esetében egyenlő 1-gyel, 097107 m -1, n egy 3-tól kezdődő egész szám, azaz 3, 4, 5 stb.
Minden λ hosszúság, amelyet ebből a képletből kapunk, az ember számára látható optikai spektrumon belül van. A hidrogén λ-értékeinek ezt a sorozatát spektrumnak nevezzükBalmer.
Ezután a megfelelő berendezéssel Theodore Liman amerikai tudós felfedezte az ultraibolya hidrogénspektrumot, amelyet Balmeréhez hasonló képlettel írt le:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Végül egy másik német fizikus, Friedrich Paschen elkészítette a hidrogén infravörös tartományban történő kibocsátásának képletét:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Mindazonáltal csak a kvantummechanika fejlődése az 1920-as években tudta megmagyarázni ezeket a képleteket.
Rutherford, Bohr és az atommodell
A 20. század első évtizedében Ernest Rutherford (új-zélandi származású brit fizikus) számos kísérletet végzett különféle kémiai elemek radioaktivitásának tanulmányozására. Ezeknek a vizsgálatoknak köszönhetően megszületett az első atommodell. Rutherford úgy vélte, hogy ez az anyagszemcse egy elektromosan pozitív magból és a pályáján forgó negatív elektronokból áll. A Coulomb-erők megmagyarázzák, hogy az atom miért "nem esik szét", és az elektronokra ható centrifugális erők az okai annak, hogy az utóbbiak nem esnek az atommagba.
Ebben a modellben minden logikusnak tűnik, egy de kivételével. A helyzet az, hogy görbe vonalú pálya mentén haladva minden töltött részecskének elektromágneses hullámokat kell kisugároznia. De stabil atom esetén ez a hatás nem figyelhető meg. Aztán kiderül, hogy maga a modell hibás?
A szükséges módosításokat elvégeztékegy másik fizikus a dán Niels Bohr. Ezeket a módosításokat ma az ő posztulátumaiként ismerjük. Bohr két tételt vezetett be Rutherford modelljébe:
- az elektronok álló pályán mozognak egy atomban, miközben nem bocsátanak ki és nem nyelnek el fotonokat;
- a sugárzás (abszorpció) folyamata csak akkor megy végbe, ha egy elektron egyik pályáról a másikra mozog.
Mik azok az álló Bohr-pályák, a következő bekezdésben megvizsgáljuk.
Az energiaszintek kvantálása
Egy elektron stacioner pályája egy atomban, amelyekről Bohr először beszélt, ennek a részecskehullámnak a stabil kvantumállapotai. Ezeket az állapotokat egy bizonyos energia jellemzi. Ez utóbbi azt jelenti, hogy az atomban lévő elektron valamilyen energia "kútban" van. Egy másik „gödörbe” kerülhet, ha kívülről további energiát kap foton formájában.
A hidrogén vonalabszorpciós és emissziós spektrumában, amelynek képlete fent van, látható, hogy a zárójelben lévő első tag 1/m2, ahol m=1, 2, 3.. egy egész szám. Annak az állópályának a számát tükrözi, amelyre az elektron egy magasabb energiaszintről n.
Hogyan tanulmányozzák a spektrumokat a látható tartományban?
Fentebb már volt szó, hogy ehhez üvegprizmákat használnak. Ezt először Isaac Newton tette meg 1666-ban, amikor a látható fényt szivárványszínekre bontotta. Az OK hogyEz a hatás a törésmutató hullámhossztól való függésében rejlik. Például a kék fény (rövid hullámok) erősebben törik, mint a vörös fény (hosszú hullámok).
Vegyük figyelembe, hogy általános esetben, amikor egy elektromágneses hullámnyaláb mozog bármilyen anyagi közegben, ennek a sugárnak a nagyfrekvenciás összetevői mindig erősebben törnek és szóródnak erősebben, mint az alacsony frekvenciájúak. Kiváló példa erre az ég kék színe.
Lencseoptika és látható spektrum
A lencsékkel végzett munka során gyakran használjuk a napfényt. Mivel folytonos spektrumról van szó, a lencsén áthaladva a frekvenciái eltérően törnek meg. Emiatt az optikai eszköz nem képes egy ponton összegyűjteni az összes fényt, és szivárványos árnyalatok jelennek meg. Ezt a hatást kromatikus aberrációnak nevezik.
A lencseoptika jelzett problémáját részben megoldja az optikai szemüvegek megfelelő műszerekben (mikroszkópokban, teleszkópokban) történő kombinációja.
