Linijski spektri - ovo je možda jedna od važnih tema koje se razmatraju u predmetu fizike 8. razreda u dijelu optike. Važno je jer nam omogućava da razumijemo strukturu atoma, kao i da to znanje koristimo za proučavanje našeg Univerzuma. Razmotrimo ovo pitanje u članku.
Koncept elektromagnetnog spektra
Pre svega, hajde da objasnimo o čemu će članak biti. Svi znaju da su sunčeva svjetlost koju vidimo elektromagnetski valovi. Svaki talas karakterišu dva važna parametra - njegova dužina i frekvencija (njegovo treće, ništa manje važno svojstvo je amplituda, koja odražava intenzitet zračenja).
U slučaju elektromagnetnog zračenja, oba parametra su povezana u sljedećoj jednadžbi: λν=c, gdje grčka slova λ (lambda) i ν (nu) obično označavaju valnu dužinu i njenu frekvenciju, respektivno, a c je brzina svjetlosti. Pošto je potonja konstantna vrijednost za vakuum, dužina i frekvencija elektromagnetnih valova su obrnuto proporcionalne jedna drugoj.
Elektromagnetski spektar u fizici je prihvaćenimenovati skup različitih talasnih dužina (frekvencija) koje emituje odgovarajući izvor zračenja. Ako supstanca apsorbuje, ali ne emituje talase, onda se govori o adsorpciji ili spektru apsorpcije.
Šta su elektromagnetski spektri?
Uopšteno govoreći, postoje dva kriterijuma za njihovu klasifikaciju:
- Prema frekvenciji zračenja.
- Prema metodi distribucije frekvencije.
Nećemo se zadržavati na razmatranju 1. vrste klasifikacije u ovom članku. Ovdje ćemo samo ukratko reći da postoje elektromagnetski valovi visokih frekvencija, koji se nazivaju gama zračenje (>1020 Hz) i rendgensko zračenje (1018 -10 19 Hz). Ultraljubičasti spektar je već nižih frekvencija (1015-1017 Hz). Vidljivi ili optički spektar leži u frekvencijskom opsegu 1014 Hz, što odgovara skupu dužina od 400 µm do 700 µm (neki ljudi mogu vidjeti malo "šire": od 380 µm do 780 µm). Niže frekvencije odgovaraju infracrvenom ili termalnom spektru, kao i radio talasima, koji već mogu biti dugi nekoliko kilometara.
Kasnije u članku, pobliže ćemo pogledati 2. tip klasifikacije, koji je zabilježen na gornjoj listi.
Linijski i kontinuirani spektri emisije
Apsolutno svaka supstanca, ako se zagreje, emituje elektromagnetne talase. Koje će to biti frekvencije i talasne dužine? Odgovor na ovo pitanje zavisi od stanja agregacije ispitivane supstance.
Tečnost i čvrsta tela emituju, po pravilu, neprekidan skup frekvencija, odnosno razlika između njih je toliko mala da se može govoriti o kontinuiranom spektru zračenja. Zauzvrat, ako se atomski gas koji ima niske pritiske zagreje, on će početi da "sija", emitujući striktno definisane talasne dužine. Ako se potonji razviju na fotografskom filmu, onda će to biti uske linije, od kojih je svaka odgovorna za određenu frekvenciju (valnu dužinu). Stoga je ova vrsta zračenja nazvana linijski emisioni spektar.
Između linije i kontinuiranog postoji srednji tip spektra, koji obično emituje molekularni, a ne atomski gas. Ova vrsta je izolovanih traka, od kojih se svaka, kada se detaljno ispita, sastoji od zasebnih uskih linija.
Linijski apsorpcioni spektar
Sve što je rečeno u prethodnom paragrafu odnosilo se na zračenje talasa materijom. Ali takođe ima sposobnost upijanja. Izvodimo uobičajeni eksperiment: uzmimo hladno ispražnjeni atomski plin (na primjer, argon ili neon) i pustimo bijelu svjetlost iz žarulje sa žarnom niti da prođe kroz njega. Nakon toga analiziramo svjetlosni tok koji prolazi kroz plin. Ispada da ako se ovaj tok razloži na pojedinačne frekvencije (to se može učiniti pomoću prizme), tada se u promatranom kontinuiranom spektru pojavljuju crne trake koje ukazuju da je te frekvencije apsorbirao plin. U ovom slučaju se govori o linijskom apsorpcionom spektru.
Sredinom XIX veka. Nemački naučnik po imenu GustavKirchhoff je otkrio vrlo zanimljivo svojstvo: primijetio je da mjesta na kojima se pojavljuju crne linije na kontinuiranom spektru tačno odgovaraju frekvencijama zračenja date supstance. Trenutno se ova karakteristika zove Kirchhoffov zakon.
Balmer, Liman i Pašen serije
Od kraja 19. veka, fizičari širom sveta pokušavaju da razumeju šta su linijski spektri zračenja. Utvrđeno je da svaki atom datog hemijskog elementa pod bilo kojim uslovima pokazuje istu emisivnost, odnosno emituje elektromagnetne talase samo određenih frekvencija.
Prve detaljne studije o ovom pitanju sproveo je švajcarski fizičar Balmer. U svojim eksperimentima koristio je plin vodonik zagrijan na visoke temperature. Budući da je atom vodika najjednostavniji od svih poznatih kemijskih elemenata, najlakše je proučavati karakteristike spektra zračenja na njemu. Balmer je dobio neverovatan rezultat, koji je zapisao kao sledeću formulu:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Ovde λ je dužina emitovanog talasa, RH - neka konstantna vrednost, koja je za vodonik jednaka 1, 097107 m -1, n je cijeli broj koji počinje od 3, tj. 3, 4, 5 itd.
Sve dužine λ, koje su dobijene iz ove formule, leže unutar optičkog spektra vidljivog ljudima. Ova serija λ vrijednosti za vodonik naziva se spektarBalmer.
Naknadno, koristeći odgovarajuću opremu, američki naučnik Theodore Liman otkrio je ultraljubičasti vodikov spektar, koji je opisao formulom sličnom Balmerovoj:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Konačno, još jedan njemački fizičar, Friedrich Paschen, dobio je formulu za emisiju vodonika u infracrvenom području:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Ipak, samo je razvoj kvantne mehanike 1920-ih mogao objasniti ove formule.
Rutherford, Bohr i atomski model
U prvoj deceniji 20. veka, Ernest Rutherford (britanski fizičar novozelandskog porekla) sproveo je mnoge eksperimente za proučavanje radioaktivnosti različitih hemijskih elemenata. Zahvaljujući ovim studijama, rođen je prvi model atoma. Rutherford je vjerovao da se ovo "zrno" materije sastoji od električno pozitivnog jezgra i negativnih elektrona koji rotiraju u njegovim orbitama. Kulonove sile objašnjavaju zašto se atom "ne raspada", a centrifugalne sile koje djeluju na elektrone su razlog zašto potonji ne padaju u jezgro.
Čini se da je sve logično u ovom modelu, osim jednog ali. Činjenica je da kada se kreće duž krivolinijske putanje, svaka nabijena čestica mora zračiti elektromagnetne valove. Ali u slučaju stabilnog atoma, ovaj efekat se ne opaža. Onda se ispostavi da je sam model pogrešan?
Urađene su potrebne izmjene i dopunedrugi fizičar je Danac Niels Bohr. Ovi amandmani su sada poznati kao njegovi postulati. Bohr je u Rutherfordov model uveo dvije propozicije:
- elektroni se kreću po stacionarnim orbitama u atomu, dok ne emituju niti apsorbuju fotone;
- proces zračenja (apsorpcije) nastaje samo kada se elektron kreće iz jedne orbite u drugu.
Šta su stacionarne Borove orbite, razmotrit ćemo u sljedećem paragrafu.
Kvantizacija nivoa energije
Stacionarne orbite elektrona u atomu, o kojima je Bohr prvi govorio, su stabilna kvantna stanja ovog talasa čestica. Ova stanja karakteriše određena energija. Ovo posljednje znači da se elektron u atomu nalazi u nekom energetskom "bunaru". On može ući u drugu "jamu" ako dobije dodatnu energiju izvana u obliku fotona.
U spektru linije apsorpcije i emisije za vodonik, čije su formule date gore, možete vidjeti da je prvi član u zagradama broj u obliku 1/m2, gdje je m=1, 2, 3.. cijeli broj. On odražava broj stacionarne orbite na koju elektron prelazi sa višeg energetskog nivoa n.
Kako proučavaju spektre u vidljivom opsegu?
Gore je već rečeno da se za to koriste staklene prizme. To je prvi učinio Isaac Newton 1666. godine, kada je razložio vidljivu svjetlost u niz duginih boja. Razlog zakoji se ovaj efekat uočava leži u zavisnosti indeksa prelamanja od talasne dužine. Na primjer, plava svjetlost (kratki talasi) se lomi jače od crvene svjetlosti (dugi talasi).
Imajte na umu da se u opštem slučaju, kada se snop elektromagnetnih talasa kreće u bilo kom materijalnom mediju, visokofrekventne komponente ovog snopa se uvek lome i raspršuju jače od onih niskofrekventnih. Najbolji primjer je plava boja neba.
Optika sočiva i vidljivi spektar
Prilikom rada sa sočivima često se koristi sunčeva svjetlost. Budući da se radi o kontinuiranom spektru, prilikom prolaska kroz sočivo njegove frekvencije se različito lome. Kao rezultat toga, optički uređaj nije u stanju prikupiti svu svjetlost u jednom trenutku, a pojavljuju se prelive nijanse. Ovaj efekat je poznat kao hromatska aberacija.
Naznačeni problem optike sočiva je djelimično riješen upotrebom kombinacije optičkih stakala u odgovarajućim instrumentima (mikroskopi, teleskopi).
