Emisija i apsorpcija svjetlosti pomoću atoma. Podrijetlo spektra linije

Ovaj članak predstavlja osnovne koncepte potrebne za razumijevanje kako atomi emitiraju i apsorbiraju svjetlost. Također, opisana je primjena ovih pojava.

Smartphone i fizika

Čovjek koji je rođen nakon 1990. godine, njegov život bez raznih elektroničkih uređaja ne može zamisliti. Pametni telefon ne samo da zamjenjuje telefon, već i omogućuje praćenje stope valuta, dogovor, zakazivanje taksija, pa čak i odgovaranje astronauta na ISS-u putem svojih aplikacija. U skladu s tim, svi su ti digitalni pomoćnici percipiraju kao stvar. Emisija i apsorpcija svjetlosti atoma, zahvaljujući kojima je postalo moguce evo smanjenja svih vrsta ureaja, cini se takvim èitateljima samo dosadnim temama u nastavi fizike. Ali u ovom dijelu fizike mnogo zanimljivih i fascinantnih.

Teorijski preduvjeti za otkrivanje spektra

Postoji izreka: "Znatiželja ne vodi do dobrog". No, ovaj se izraz više odnosi na činjenicu da je bolje ne miješati se u odnose drugih ljudi. Ako pokazujete znatiželju svijetu oko sebe, ništa neće biti u redu. Krajem devetnaestog stoljeća ljudi su postali jasni priroda magnetizma (dobro je opisano u sustavu Maxwellovih jednadžbi). Sljedeće pitanje koje su znanstvenici htjeli riješiti bila je struktura materije. Moramo odmah pojasniti: za znanost, to nije emisija i apsorpcija svjetlosti atoma koji su vrijedni. Pravokutni spektri posljedica su ovog fenomena i osnova za proučavanje strukture tvari.

Struktura atoma

Znanstvenici su predložili u staroj Grčkoj da se mramor sastoji od nekih nedjeljivih komada, "atoma". Do kraja devetnaestog stoljeća ljudi su mislili da su to najmanji čestice materije. Međutim, Rutherfordovo iskustvo u raspršivanju teških čestica na zlatnoj foliji pokazalo je da atom također ima unutarnju strukturu. Teška jezgra je u sredini i nabijena pozitivno, svjetlosni negativni elektroni se okreću oko nje.

Paradokti atoma u okviru Maxwellove teorije

Ovi podaci doveli su do života nekoliko paradoksa: prema Maxwellovim jednadžbama, bilo koja pokretna napunjena čestica emitira elektromagnetsko polje, stoga izgubi energiju. Zašto onda elektroni ne pada na jezgru, ali i dalje rotirati? Također je bilo nejasno zašto svaki atom apsorbira ili emitira fotone samo određene valne duljine. Teorija Bohra omogućila je uklanjanje tih odstupanja uvođenjem orbita. Prema postulatima ove teorije, elektroni mogu biti oko jezgre samo na tim orbitalima. Prijelaz između dviju susjednih država popraćen je ili emisijom ili apsorpcijom kvantne energije s određenom energijom. Zbog toga emisija i apsorpcija svjetlosti atoma.

Valna duljina, frekvencija, energija

Za potpuniju sliku potrebno je malo reći o fotonima. To su elementarne čestice koje nemaju mirovinu. Oni postoje samo dok se kreću kroz okoliš. Ali masa još uvijek posjeduje: udarajući po površini, daju joj impuls, što bi bilo nemoguće bez mase. Oni samo pretvaraju svoju masu u energiju, čineći tvar koju pogoduju i koje apsorbiraju, malo toplije. Bohrova teorija ne objašnjava tu činjenicu. Svojstva fotona i svojstva njegovog ponašanja opisana su kvantnom fizikom. Dakle, foton je i val i čestica s masom. Foton, i kao val, ima sljedeće karakteristike: duljina (lambda), frekvencija (nu-), energija (E). Što je dulja duljina, to je niža frekvencija, a niža je energija.

Spektar atoma

Atomska je spektar formirana u nekoliko faza.

1. Elektron u atomu prolazi iz orbitalnog 2 (s većom energijom) do orbitalne 1 (s nižom energijom).
2. Otpuštena je neka količina energije koja se formira kao kvantna svjetlost (hnu-).
3. Ovo kvantno emitira se u okolni prostor.

Na taj je način dobiven linearni spektar atoma. Zašto se tako zove, objašnjava njegov oblik: kada posebni uređaji "ulove" izlazeće fotone svjetlosti, na uređaju za snimanje fiksira se niz redaka. Odvojiti fotona različitih valnih duljina, koje koriste difrakcijskih fenomen valova različitih frekvencija imaju različite indeks loma, dakle, još jednom skrenuto od drugog.

Svojstva tvari i spektri

Redni spektar tvari je jedinstven za svaku vrstu atoma. To jest, vodik emitira jedan niz linija, a zlato - drugi. Ta činjenica je osnova za primjenu spektrometrije. Nakon što ste dobili spektar od bilo čega, možete shvatiti što se tvari sastoje, kako su atomi raspoređeni u odnosu jedni na druge. Ova metoda omogućuje određivanje i različita svojstva materijala, koja često koristi kemiju i fiziku. Apsorpcija i emisija svjetlosti pomoću atoma jedan je od najčešćih alata za proučavanje okolnog svijeta.

Nedostaci metode emisijskih spektara

Do ove točke, više se govori o tome kako atomi zrače. Ali obično su svi elektroni u orbitalu u stanju ravnoteže, nemaju razloga da se prebace u druge države. Da bi neka emisija ispuštala nešto, najprije mora apsorbirati energiju. Ovo je nedostatak metode koja iskorištava apsorpciju i emisiju svjetlosti pomoću atoma. Ukratko reći da se tvar prije svega mora zagrijavati ili osvijetliti prije nego što dobijemo spektar. Pitanja neće nastati ako znanstvenik proučava zvijezde, oni već sjaju zbog vlastitih internih procesa. Ali, ako trebate proučiti komad rude ili hrane, onda za dobivanje spektra zapravo treba izgorjeti. Ova metoda nije uvijek prikladna.

Apsorpcijski spektri

Radijacija i apsorpcija svjetlosti atoma kao metoda "radi" u dva smjera. Možete sjati na supstancu širokopojasnom svjetlošću (tj. U kojem se nalaze fotoni različitih valnih duljina), a zatim vidjeti koje se valne duljine apsorbiraju. Ali ova metoda ne radi uvijek: nužno je da je tvar transparentna u željeni dio elektromagnetske ljestvice.

Kvalitativna i kvantitativna analiza

Postalo je jasno: spektri su jedinstveni za svaku tvar. Čitatelj bi mogao zaključiti da se takva analiza koristi samo kako bi se utvrdilo što je materijal napravljen. Međutim, spektri su mnogo širi. Uz pomoć posebnih tehnika za ispitivanje i prepoznavanje širine i intenziteta dobivenih linija, moguće je odrediti broj atoma koji ulaze u spoj. I ovaj se pokazatelj može izraziti u različitim jedinicama:

• u postocima (na primjer, u ovoj leguri sadrži 1% aluminija);
• u molovima (3 mola zajedničke soli se otopi u ovoj tekućini);
• u gramima (u ovom uzorku ima 0,2 g urana i 0,4 grama torija).

Ponekad je analiza mješovita: kvalitativno i kvantitativno u isto vrijeme. Ali ako su rani fizičari zapamtili položaj linija po srcu i ocijenili njihovu boju koristeći posebne tablice, sada svi ti programi rade.

Primjena spektra

Već smo temeljito analizirali emitiranje i apsorpciju svjetlosti atoma. Spektralna analiza se koristi vrlo široko. Ne postoji jedno područje ljudske djelatnosti gdje god se koristi fenomen s kojim razmišljamo. Evo nekih od njih:

1. Na samom početku članka razgovarali smo o pametnim telefonima. Silicijski poluvodički elementi postali su tako mali, uključujući i proučavanje kristala pomoću spektralne analize.
2. Ako bilo koji incident je jedinstvenost elektrona ljuske svakog atoma određuje kakav metak ispalio prvi, zašto se auto pokvario okvir ili toranj dizalice, kao i neke otrov truju ljude i koliko vremena je proveo u vodi.
3. Medicina koristi spektralnu analizu za svoje potrebe najčešće s obzirom na tjelesne tekućine, ali se događa da se ova metoda primjenjuje i na tkiva.
4. Udaljene galaksije, kozmički plinski oblaci, planeta ispred zvijezde - sve je to studirao svjetlo i njegove razgradnje u spektru. Znanstvenici prepoznaju sastav ovih predmeta, njihovu brzinu i procese koji se odvijaju u njima jer mogu popraviti i analizirati fotone koji emitiraju ili apsorbiraju.

Elektromagnetska ljestvica

Prije svega, pazimo na vidljivu svjetlost. Ali na elektromagnetskoj skali ovaj segment je vrlo mali. Što ljudsko oko ne popravlja, mnogo je širi od sedam boja duge. Ne samo da se vidljivi fotoni mogu emitirati i apsorbirati (lambda- = 380-780 nanometara), već i druge kvage. Elektromagnetska skala uključuje:

1. Radio valovi (lambda = = 100 km) prenose informacije na velike udaljenosti. Zbog vrlo dugačke valne duljine, njihova energija je vrlo niska. Vrlo se lako apsorbiraju.
2. Terahercove valove (lambda- = 1-0.1 milimetara) do nedavno je bilo teško pristupiti. Prije toga, njihov raspon je bio uključen u radio valove, ali sada je ovaj segment elektromagnetske ljestvice dodijeljen zasebnoj klasi.
3. Infracrveni valovi (lambda- = 0,74-2000 mikrometara) prenose toplinu. Krijes, svjetiljka, Sunce ih emitiraju u izobilju.

Vidljiva svjetlost koju smo pregledali, pa više nećemo pisati o tome.

Ultraljubičasti valovi (lambda- = 10-400 nanometara) smrtno su za ljude veći, ali njihov nedostatak uzrokuje nepovratne procese. Naša središnja zvijezda daje mnogo ultraljubičastog zračenja, a Zemljina atmosfera podupire većinu.

Rendgenskim i gama kvantima (lambda- < 10 nanometara) imaju zajednički raspon, ali se razlikuju po podrijetlu. Da biste ih dobili, morate ubrzati elektrone ili atome do vrlo velikih brzina. Laboratoriji ljudi su sposobni za to, ali u prirodi takve energije nalaze se samo unutar zvijezda ili u sudarima masivnih predmeta. Primjer posljednjeg procesa mogu biti eksplozije supernove, apsorpciju zvijezde crnom rupom, susret dviju galaksija ili galaksije i masivni plin oblak.

Elektromagnetski valovi svih raspona, odnosno njihova sposobnost da emitiraju i apsorbiraju atomi, koriste se u ljudskoj aktivnosti. Bez obzira na to što je čitatelj izabrao (ili će samo izabrati) svoj životni put, sigurno će se susresti s rezultatima spektralnih istraživanja. Prodavač koristi moderni terminal za naplatu samo zato što je jednom znanstvenik istraživao svojstva tvari i stvorio mikročip. Agrarna gnojiva polja i prikuplja velike prinose sada samo zato što je jednom geolog otkrio fosfor u komadi rude. Djevojka nosi sjajne odjeće samo zahvaljujući izumu postojanih kemijskih boja.

No, ako čitatelj želi povezati svoj život sa svijetom znanosti, tada je potrebno proučiti mnogo više od osnovnih pojmova procesa zračenja i apsorpcije svjetlosnih kvaga u atomima.