Linijski spektri - ovo je možda jedna od važnih tema koje se razmatraju u predmetu fizike 8. razreda u dijelu optike. Važno je jer nam omogućuje razumijevanje strukture atoma, kao i korištenje tog znanja za proučavanje našeg Svemira. Razmotrimo ovo pitanje u članku.
Koncept elektromagnetskog spektra
Prije svega, objasnimo o čemu će biti članak. Svi znaju da su sunčeva svjetlost koju vidimo elektromagnetski valovi. Svaki val karakteriziraju dva važna parametra - njegova duljina i frekvencija (njegovo treće, ne manje važno svojstvo je amplituda, koja odražava intenzitet zračenja).
U slučaju elektromagnetskog zračenja, oba parametra su povezana u sljedećoj jednadžbi: λν=c, gdje grčka slova λ (lambda) i ν (nu) obično označavaju valnu duljinu, odnosno njezinu frekvenciju, a c je brzina svjetlosti. Budući da je potonja konstantna vrijednost za vakuum, duljina i frekvencija elektromagnetskih valova su obrnuto proporcionalne jedna drugoj.
Elektromagnetski spektar u fizici je prihvaćenimenovati skup različitih valnih duljina (frekvencija) koje emitira odgovarajući izvor zračenja. Ako tvar apsorbira, ali ne emitira valove, onda se govori o adsorpciji ili spektru apsorpcije.
Što su elektromagnetski spektri?
Općenito, postoje dva kriterija za njihovu klasifikaciju:
- Prema frekvenciji zračenja.
- Prema metodi raspodjele 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 rasponu 1014 Hz, što odgovara skupu duljina od 400 µm do 700 µm (neki ljudi mogu vidjeti malo "šire": od 380 µm do 780 µm). Niže frekvencije odgovaraju infracrvenom ili toplinskom spektru, kao i radio valovima, koji već mogu biti dugi nekoliko kilometara.
Kasnije u članku, pobliže ćemo pogledati 2. vrstu klasifikacije, koja je navedena u gornjem popisu.
Linijski i kontinuirani spektri emisije
Apsolutno svaka tvar, ako se zagrije, emitirat će elektromagnetske valove. Koje će to biti frekvencije i valne duljine? Odgovor na ovo pitanje ovisi o stanju agregacije ispitivane tvari.
Tekućina i čvrsta tijela emitiraju u pravilu kontinuirani skup frekvencija, odnosno razlika među njima je toliko mala da možemo govoriti o kontinuiranom spektru zračenja. Zauzvrat, ako se atomski plin s niskim tlakom zagrije, on će početi "sjati", emitirajući strogo određene valne duljine. Ako se potonji razviju na fotografskom filmu, onda će to biti uske linije, od kojih je svaka odgovorna za određenu frekvenciju (valnu duljinu). Stoga je ova vrsta zračenja nazvana linijskim emisijskim spektrom.
Između linije i kontinuiranog postoji srednja vrsta spektra, koja obično emitira molekularni, a ne atomski plin. Ova vrsta je izolirana traka, od kojih se svaki, kada se detaljno ispita, sastoji od zasebnih uskih linija.
Linijski apsorpcijski spektar
Sve što je rečeno u prethodnom paragrafu odnosilo se na zračenje valova materijom. Ali također ima sposobnost upijanja. Provedimo uobičajeni pokus: uzmimo hladno ispražnjeni atomski plin (na primjer, argon ili neon) i pustimo da kroz njega prođe bijela svjetlost žarulje sa žarnom niti. 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, govorimo o linijskom apsorpcijskom spektru.
Sredinom XIX stoljeća. Njemački znanstvenik po imenu GustavKirchhoff je otkrio vrlo zanimljivo svojstvo: primijetio je da mjesta na kojima se pojavljuju crne linije na kontinuiranom spektru točno odgovaraju frekvencijama zračenja dane tvari. Trenutno se ova značajka naziva Kirchhoffov zakon.
Balmer, Liman i Pashen serija
Od kraja 19. stoljeća, fizičari diljem svijeta pokušavaju razumjeti koji su linijski spektri zračenja. Utvrđeno je da svaki atom danog kemijskog elementa pod bilo kojim uvjetima pokazuje istu emisivnost, odnosno emitira elektromagnetske valove samo određenih frekvencija.
Prve detaljne studije ovog pitanja proveo je švicarski fizičar Balmer. U svojim eksperimentima koristio je plin vodik zagrijan na visoke temperature. Budući da je atom vodika najjednostavniji među svim poznatim kemijskim elementima, najlakše je proučavati značajke spektra zračenja na njemu. Balmer je dobio nevjerojatan rezultat, koji je zapisao kao sljedeću formulu:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Ovdje λ je duljina emitiranog vala, RH - neka konstantna vrijednost, koja je za vodik jednaka 1, 097107 m -1, n je cijeli broj koji počinje od 3, tj. 3, 4, 5 itd.
Sve duljine λ, koje se dobivaju iz ove formule, leže unutar optičkog spektra vidljivog ljudima. Ovaj niz λ vrijednosti za vodik naziva se spektarBalmer.
Naknadno je, koristeći odgovarajuću opremu, američki znanstvenik Theodore Liman otkrio 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 vodika u infracrvenom području:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Unatoč tome, samo je razvoj kvantne mehanike 1920-ih mogao objasniti ove formule.
Rutherford, Bohr i atomski model
U prvom desetljeću 20. stoljeća, Ernest Rutherford (britanski fizičar novozelandskog podrijetla) proveo je mnoge eksperimente za proučavanje radioaktivnosti različitih kemijskih elemenata. Zahvaljujući tim studijama rođen je prvi model atoma. Rutherford je vjerovao da se to "zrno" materije sastoji od električne pozitivne jezgre i negativnih elektrona koji rotiraju u svojim orbitama. Coulombove sile objašnjavaju zašto se atom "ne raspada", a centrifugalne sile koje djeluju na elektrone razlog su zašto potonji ne padaju u jezgru.
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 elektromagnetske valove. Ali u slučaju stabilnog atoma, ovaj učinak se ne opaža. Onda se ispostavi da je sam model pogrešan?
Unesene 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 u stacionarnim orbitama u atomu, dok ne emitiraju niti apsorbiraju fotone;
- proces zračenja (apsorpcije) događa se samo kada se elektron kreće iz jedne orbite u drugu.
Što su stacionarne Bohrove orbite, razmotrit ćemo u sljedećem odlomku.
Kvantizacija razina energije
Stacionarne orbite elektrona u atomu, o kojima je Bohr prvi govorio, stabilna su kvantna stanja ovog vala čestica. Ova stanja karakterizira određena energija. Potonje znači da se elektron u atomu nalazi u nekom energetskom "bunaru". Može ući u drugu "jamu" ako dobije dodatnu energiju izvana u obliku fotona.
U linijskim spektrima apsorpcije i emisije za vodik, čije su formule gore navedene, možete vidjeti da je prvi član u zagradama broj u obliku 1/m2, gdje je m=1, 2, 3.. cijeli broj. Odražava broj stacionarne orbite u koju elektron prelazi s više razine energije n.
Kako proučavaju spektre u vidljivom rasponu?
Već je gore rečeno da se za to koriste staklene prizme. Prvi je to učinio Isaac Newton 1666. godine, kada je razložio vidljivu svjetlost u niz duginih boja. Razlog zakoji se ovaj učinak opaža leži u ovisnosti indeksa loma o valnoj duljini. Na primjer, plavo svjetlo (kratki valovi) lomi se jače od crvenog svjetla (dugi valovi).
Primijetite da se u općem slučaju, kada se snop elektromagnetskih valova kreće u bilo kojem materijalnom mediju, visokofrekventne komponente ovog snopa uvijek lome i raspršuju jače od onih niskofrekventnih. Najbolji primjer je plava boja neba.
Optika leće i vidljivi spektar
Pri radu s lećama često se koristi sunčeva svjetlost. Budući da se radi o kontinuiranom spektru, pri prolasku kroz leću njegove se frekvencije drugačije lome. Kao rezultat toga, optički uređaj ne može prikupiti svu svjetlost u jednoj točki, a pojavljuju se preljevne nijanse. Ovaj efekt je poznat kao kromatska aberacija.
Naznačeni problem optike leća djelomično je riješen korištenjem kombinacije optičkih naočala u odgovarajućim instrumentima (mikroskopi, teleskopi).
