Spectre de linii - acesta este poate unul dintre subiectele importante care sunt luate în considerare la cursul de fizică de clasa a VIII-a la secțiunea de optică. Este important pentru că ne permite să înțelegem structura atomică, precum și să folosim aceste cunoștințe pentru a studia Universul nostru. Să luăm în considerare această problemă în articol.
Conceptul de spectre electromagnetice
În primul rând, să explicăm despre ce va fi articolul. Toată lumea știe că lumina soarelui pe care o vedem sunt unde electromagnetice. Orice undă este caracterizată de doi parametri importanți - lungimea și frecvența sa (a treia proprietate, nu mai puțin importantă, este amplitudinea, care reflectă intensitatea radiației).
În cazul radiațiilor electromagnetice, ambii parametri sunt legați în următoarea ecuație: λν=c, unde literele grecești λ (lambda) și ν (nu) indică de obicei lungimea de undă și, respectiv, frecvența acesteia, iar c este viteza luminii. Deoarece aceasta din urmă este o valoare constantă pentru vid, lungimea și frecvența undelor electromagnetice sunt invers proporționale una cu ceal altă.
Spectrul electromagnetic în fizică este acceptatdenumește setul de lungimi de undă (frecvențe) diferite care sunt emise de sursa de radiație corespunzătoare. Dacă substanța absoarbe, dar nu emite unde, atunci se vorbește despre un spectru de adsorbție sau de absorbție.
Ce sunt spectrele electromagnetice?
În general, există două criterii pentru clasificarea lor:
- După frecvența radiațiilor.
- Conform metodei de distribuție a frecvenței.
Nu ne vom opri asupra luării în considerare a primului tip de clasificare în acest articol. Aici vom spune doar pe scurt că există unde electromagnetice de în altă frecvență, care se numesc radiații gamma (>1020 Hz) și raze X (1018). -10 19 Hz). Spectrul ultraviolet este deja cu frecvențe inferioare (1015-1017 Hz). Spectrul vizibil sau optic se află în intervalul de frecvență 1014 Hz, care corespunde unui set de lungimi de la 400 µm la 700 µm (unii oameni sunt capabili să vadă puțin „mai larg”: de la 380 µm la 780 µm). Frecvențele inferioare corespund spectrului infraroșu sau termic, precum și undelor radio, care pot avea deja câțiva kilometri lungime.
Mai târziu în articol, vom arunca o privire mai atentă asupra celui de-al doilea tip de clasificare, care este notat în lista de mai sus.
Linie și spectre de emisie continuă
Absolut orice substanță, dacă este încălzită, va emite unde electromagnetice. Ce frecvențe și lungimi de undă vor fi? Răspunsul la această întrebare depinde de starea de agregare a substanței studiate.
Lichidele și solidele emit, de regulă, un set continuu de frecvențe, adică diferența dintre ele este atât de mică încât putem vorbi despre un spectru continuu de radiații. La rândul său, dacă un gaz atomic având presiuni scăzute este încălzit, acesta va începe să „lumineze”, emițând lungimi de undă strict definite. Dacă acestea din urmă sunt dezvoltate pe film fotografic, atunci vor fi linii înguste, fiecare dintre acestea fiind responsabilă pentru o anumită frecvență (lungime de undă). Prin urmare, acest tip de radiație a fost numit spectru de emisie de linie.
Între linie și continuu există un tip intermediar de spectru, care de obicei emite un gaz molecular mai degrabă decât atomic. Acest tip este benzi izolate, fiecare dintre acestea, atunci când este examinată în detaliu, constă din linii înguste separate.
Spectru de absorbție a liniilor
Tot ce s-a spus în paragraful anterior se referea la radiația undelor de către materie. Dar are și capacitate de absorbție. Să realizăm experimentul obișnuit: să luăm un gaz atomic descărcat la rece (de exemplu, argon sau neon) și să lăsăm să treacă prin el lumina albă de la o lampă incandescentă. După aceea, analizăm fluxul de lumină care trece prin gaz. Se pare că dacă acest flux este descompus în frecvențe individuale (acest lucru se poate face folosind o prismă), atunci în spectrul continuu observat apar benzi negre, care indică faptul că aceste frecvențe au fost absorbite de gaz. În acest caz, se vorbește despre un spectru de absorbție a liniilor.
La mijlocul secolului al XIX-lea. Un om de știință german pe nume GustavKirchhoff a descoperit o proprietate foarte interesantă: a observat că locurile în care apar linii negre pe spectrul continuu corespund exact cu frecvențele radiației unei substanțe date. În prezent, această caracteristică se numește legea lui Kirchhoff.
Serii Balmer, Liman și Pashen
De la sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicienii din întreaga lume au căutat să înțeleagă care sunt spectrele de linii ale radiațiilor. S-a descoperit că fiecare atom al unui element chimic dat, în orice condiții, prezintă aceeași emisivitate, adică emite unde electromagnetice doar cu frecvențe specifice.
Primele studii detaliate ale acestei probleme au fost efectuate de fizicianul elvețian Balmer. În experimentele sale, a folosit hidrogen gazos încălzit la temperaturi ridicate. Deoarece atomul de hidrogen este cel mai simplu dintre toate elementele chimice cunoscute, este mai ușor să studiezi caracteristicile spectrului de radiații pe el. Balmer a obținut un rezultat uimitor, pe care l-a notat ca următoarea formulă:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Aici λ este lungimea undei emise, RH - o valoare constantă, care pentru hidrogen este egală cu 1, 097107 m -1, n este un număr întreg care începe de la 3, adică 3, 4, 5 etc.
Toate lungimile λ, care sunt obținute din această formulă, se află în spectrul optic vizibil pentru oameni. Această serie de valori λ pentru hidrogen se numește spectruBalmer.
Ulterior, folosind echipamentul adecvat, omul de știință american Theodore Liman a descoperit spectrul de hidrogen ultraviolet, pe care l-a descris cu o formulă similară cu cea a lui Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
În sfârșit, un alt fizician german, Friedrich Paschen, a obținut o formulă pentru emisia de hidrogen în regiunea infraroșu:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Cu toate acestea, doar dezvoltarea mecanicii cuantice în anii 1920 ar putea explica aceste formule.
Rutherford, Bohr și modelul atomic
În primul deceniu al secolului XX, Ernest Rutherford (fizician britanic de origine Noua Zeelandă) a efectuat numeroase experimente pentru a studia radioactivitatea diferitelor elemente chimice. Datorită acestor studii s-a născut primul model al atomului. Rutherford credea că acest „granule” de materie constă dintr-un nucleu pozitiv din punct de vedere electric și electroni negativi care se rotesc pe orbitele sale. Forțele coulombice explică de ce atomul „nu se destramă”, iar forțele centrifuge care acționează asupra electronilor sunt motivul pentru care aceștia din urmă nu cad în nucleu.
Totul pare să fie logic în acest model, cu excepția unui singur dar. Faptul este că atunci când se deplasează de-a lungul unei traiectorii curbilinii, orice particulă încărcată trebuie să radieze unde electromagnetice. Dar în cazul unui atom stabil, acest efect nu este observat. Apoi se dovedește că modelul în sine este greșit?
Au fost aduse modificările necesareun alt fizician este danezul Niels Bohr. Aceste amendamente sunt acum cunoscute sub numele de postulatele sale. Bohr a introdus două propoziții în modelul lui Rutherford:
- electroni se mișcă pe orbite staționare într-un atom, în timp ce nu emit și nu absorb fotoni;
- procesul de radiație (absorbție) are loc numai atunci când un electron se mișcă de pe o orbită pe alta.
Ce sunt orbitele staționare Bohr, vom lua în considerare în paragraful următor.
Cuantificarea nivelurilor de energie
Orbitele staționare ale unui electron dintr-un atom, despre care Bohr a vorbit pentru prima dată, sunt stări cuantice stabile ale acestei unde de particule. Aceste stări sunt caracterizate de o anumită energie. Acesta din urmă înseamnă că electronul din atom este într-o anumită energie „bine”. El poate intra într-o altă „groapă” dacă primește energie suplimentară din exterior sub forma unui foton.
În spectrele liniilor de absorbție și emisie pentru hidrogen, ale căror formule sunt date mai sus, puteți vedea că primul termen dintre paranteze este un număr de forma 1/m2, unde m=1, 2, 3.. este un număr întreg. Reflectă numărul orbitei staționare la care trece electronul de la un nivel de energie mai în alt n.
Cum studiază ei spectre în domeniul vizibil?
S-a spus deja mai sus că pentru asta se folosesc prisme de sticlă. Acest lucru a fost făcut pentru prima dată de Isaac Newton în 1666, când a descompus lumina vizibilă într-un set de culori de curcubeu. Motivul pentru carecare se observă acest efect constă în dependența indicelui de refracție de lungimea de undă. De exemplu, lumina albastră (unde scurte) este refractată mai puternic decât lumina roșie (unde lungi).
Rețineți că, în cazul general, atunci când un fascicul de unde electromagnetice se mișcă în orice mediu material, componentele de în altă frecvență ale acestui fascicul sunt întotdeauna refractate și împrăștiate mai puternic decât cele de joasă frecvență. Un prim exemplu este culoarea albastră a cerului.
Optica obiectivului și spectrul vizibil
Când lucrați cu lentile, lumina soarelui este adesea folosită. Deoarece este un spectru continuu, la trecerea prin lentilă, frecvențele sale sunt refractate diferit. Ca urmare, dispozitivul optic nu poate colecta toată lumina la un moment dat și apar nuanțe irizate. Acest efect este cunoscut sub numele de aberație cromatică.
Problema indicată a opticii lentilelor este parțial rezolvată prin utilizarea unei combinații de ochelari optici în instrumente adecvate (microscoape, telescoape).
