Emisija in absorpcija svetlobe z atomi. Poreklo linijskih spektrov

V tem članku so predstavljeni osnovni koncepti, potrebni za razumevanje, kako atomi oddajajo in absorbirajo svetlobo. Opisana je tudi uporaba teh pojavov.

Pametni telefon in fizika

Človek, ki je bil rojen po letu 1990, njegovo življenje brez različnih elektronskih naprav ne more predstavljati. Pametni telefon ne samo nadomešča telefon, temveč vam omogoča tudi spremljanje valutnih obrestnih mer, sklepanje poslov, klicanje taksija in celo ujemanje z astronavti na krovu ISS s svojimi aplikacijami. Skladno s tem se vse te digitalne asistentke dojemajo seveda. Oddajanje in absorpcija svetlobe z atomi, zaradi česar je postala mogoča doba zmanjševanja vseh vrst pripomočkov, bodo takšni bralci imeli le dolgočasno temo v pouku fizike. Toda v tem delu fizike je veliko zanimivega in zanimivega.

Teoretični predpogoji za odkrivanje spektrov

Obstaja izgovor: "Radovednost ne vodi v dobro". Toda ta izraz se bolj verjetno sklicuje na dejstvo, da je bolje, da ne motijo ​​odnosov drugih ljudi. Če pokažete radovednost svetu okoli sebe, nič ne bo narobe. Konec devetnajstega stoletja so se ljudje razjasnili narava magnetizma (dobro je opisano v sistemu Maxwellovih enačb). Naslednje vprašanje, ki so ga znanstveniki želeli rešiti, je bila struktura snovi. Moramo takoj pojasniti: za znanost ni emisija in absorpcija svetlobe z dragocenimi atomi. Odločeni spektri so posledica tega pojava in osnova za proučevanje strukture snovi.

Struktura atoma

Znanstveniki so v starodavni Grčiji predlagali, da je marmor sestavljen iz nekaj nedeljivih kosov, "atomi". Do konca devetnajstega stoletja so ljudje mislili, da so to najmanjši delci snovi. Toda Rutherfordova izkušnja pri razprševanju težkih delcev na zlati foliji je pokazala: atom ima tudi notranjo strukturo. Težko jedro je v sredini in napolni pozitivno, svetlobni negativni elektroni se vrtijo okoli njega.

Paradoksi atomov v okviru teorije Maxwell

Ti podatki so oživili več paradokov: po Maxwellovih enačbah vsaka premikajoča nabitka delcev oddaja elektromagnetno polje, zato izgubi energijo. Zakaj torej elektroni ne padejo na jedro, ampak se še naprej vrtijo? Prav tako ni bilo jasno, zakaj vsak atom absorbira ali oddaja fotone le določene valovne dolžine. Teorija Borov je omogočila odpravo teh neskladij z uvedbo orbitalov. V skladu s postulati te teorije so lahko elektroni okoli jedra le na teh orbitalih. Prehod med dvema sosednjima državama spremlja bodisi emisija ali absorpcija kvanta z določeno energijo. Zaradi tega je emisija in absorpcija svetlobe zaradi atomov.

Valovna dolžina, frekvenca, energija

Za popolnejšo sliko je treba malo povedati o fotonih. To so elementarni delci, ki nimajo mirovanja. Obstajajo le, ko se premikajo skozi okolje. Toda množica še vedno poseduje: udarjanje po površini, ji dajejo impulz, kar bi bilo nemogoče brez mase. Svojo maso samo pretvarjajo v energijo, tako da snov, ki jo ujamejo, in ki jo absorbirajo, malo topleje. Bohorjeva teorija tega dejstva ne razlaga. Lastnosti fotona in značilnosti njegovega obnašanja opisujejo kvantna fizika. Torej, foton je val in delec z maso. Foton in kot val ima naslednje značilnosti: dolžino (lambda-), frekvenco (nu-), energijo (E). Daljši je valovna dolžina, nižja je frekvenca in nižja je energija.

Spekter atoma

Atomski spekter se tvori v več stopnjah.

1. Elektron v atomu prehaja iz orbitalne 2 (z višjo energijo) v orbital 1 (z nižjo energijo).
2. Sproži se nekaj energije, ki je tvorjena kot kvant svetlobe (hnu-).
3. Ta kvant se oddaja v okolico.

Tako dobimo linearni spekter atoma. Zakaj se tako imenuje, pojasnjuje njegovo obliko: ko posebne naprave "ujamejo" izhodne fotone svetlobe, je na snemalno napravo določeno število vrstic. Za ločevanje fotonov različnih valovnih dolžin se uporablja pojav difrakcije: valovi z različnimi frekvencami imajo drugačen refrakcijski indeks, zato nekateri odstopajo močneje kot drugi.

Lastnosti snovi in spektre

Linijski spekter snovi je edinstven za vsako vrsto atomov. To pomeni, da vodik oddaja eno vrsto vrstic in zlato - drugo. To dejstvo je osnova za uporabo spektrometrije. Po tem, ko ste prejeli spekter ničesar, lahko razumete, kaj sestavina sestavlja, kako so atomi medsebojno urejeni. Ta metoda vam omogoča, da določite različne lastnosti materialov, ki pogosto uporabljajo kemijo in fiziko. Absorpcija in emisija svetlobe z atomi je eno najpogostejših orodij za preučevanje okoliškega sveta.

Pomanjkljivosti metode emisijskih spektrov

Do te točke je bilo več rečeno o tem, kako izračujeta atomi. Toda običajno so vsi elektroni v svojih orbitalih v stanju ravnovesja, nimajo razloga, da bi se spremenili v druge države. Da bi nekaj snovi oddalo, mora najprej absorbirati energijo. To je pomanjkljivost metode, ki izkorišča absorpcijo in emisijo svetlobe z atomom. Na kratko povemo, da je treba snov najprej ogreti ali osvetliti, preden dobimo spekter. Vprašanja se ne bodo pojavila, če znanstvenik proučuje zvezde, že sije zaradi lastnih notranjih procesov. Ampak, če morate preučiti kos rude ali hrane, nato pa spektra dejansko je treba spali. Ta metoda ni vedno primerna.

Absorpcijski spektri

Sevanje in absorpcija svetlobe z atomi kot metoda "deluje" v dveh smereh. Snov lahko sijete s širokopasovno svetlobo (to je, v kateri so fotoni različnih valovnih dolžin), in nato videli, katere valovne dolžine absorbirajo. Toda ta metoda ne deluje vedno: nujno je, da je snov prozorna za želeni del elektromagnetne lestvice.

Kvalitativna in kvantitativna analiza

Postalo je jasno: spektri so edinstveni za vsako snov. Bralec bi lahko sklenil, da se takšna analiza uporablja le za določitev, iz katerega materiala je izdelana. Vendar pa so spektri precej širši. S pomočjo posebnih tehnik za preučevanje in prepoznavanje širine in intenzitete nastalih linij je mogoče določiti število atomov, ki vstopajo v spojino. Ta indikator se lahko izrazi v različnih enotah:

• v odstotkih (na primer v tej zlitini vsebuje 1% aluminija);
• v molih (3 moli običajne soli se raztopi v tej tekočini);
• v gramih (v tem vzorcu je 0,2 g urana in 0,4 g torija).

Včasih je analiza mešana: kvalitativna in kvantitativna hkrati. Ampak, če so prejšnji fiziki spominjali položaja vrstic na srce in ocenili njihovo odtenek z uporabo posebnih tabel, sedaj vsi ti programi počnejo.

Uporaba spektrov

Že temeljito smo analizirali, kaj je emisija in absorpcija svetlobe z atomi. Spektralna analiza se uporablja zelo široko. Ni nobenega področja človeške dejavnosti, kjer se uporablja fenomen, ki ga razmišljamo. Tukaj je nekaj:

1. Na samem začetku članka smo govorili o pametnih telefonih. Silikonski polprevodniški elementi so postali tako majhni, tudi s proučevanjem kristalov z uporabo spektralne analize.
2. Če kakršen koli incident, je edinstvenost elektronov lupine vsakega atoma določa, kakšno kroglo odpustili najprej, zakaj je avto pokvaril okvir ali stolpni žerjav, kot tudi nekatere strup zastrupil ljudi in koliko časa je preživel v vodi.
3. Zdravilo uporablja spektralno analizo za svoje lastnosti najpogosteje glede telesnih tekočin, vendar se zgodi, da se ta metoda uporablja tudi za tkiva.
4. Daleč galaksije, oblaki kozmičnega plina, planeti v drugih ljudskih zvezdah - vse to se proučuje s pomočjo svetlobe in njegovega razkroja v spektre. Znanstveniki priznavajo sestavo teh predmetov, njihovo hitrost in procese, ki se dogajajo v njih, ker lahko popravijo in analizirajo fotone, ki jih oddajajo ali absorbirajo.

Elektromagnetna skala

Predvsem pozornost namenjamo vidni svetlobi. Toda na elektromagnetni lestvici je ta segment zelo majhen. Kaj človeško oko ne popravi je veliko širše od sedmih barv mavrice. Ne smejo se izločati in absorbirati samo vidni fotoni (lambda- = 380-780 nanometrov), temveč tudi druge kvantne snovi. Elektromagnetna skala vključuje:

1. Radio valovi (lambda- = 100 kilometrov) prenašajo informacije na dolge razdalje. Zaradi zelo dolge valovne dolžine je njihova energija zelo nizka. Zelo se jih absorbira.
2. Terahertzovi valovi (lambda- = 1-0,1 milimetrov) do nedavnega je bil težko dostopen. V preteklosti je bil njihov obseg vključen v radijske valove, zdaj pa je ta segment elektromagnetne skale razporejen v poseben razred.
3. Infrardeči valovi (lambda- = 0,74-2000 mikrometrov) prenesejo toploto. Kobilica, žarnica, sonce jih izpuščajo v izobilju.

Vidna svetloba, ki smo jo preučili, zato o tem ne bomo pisali več.

Ultravijolični valovi (lambda- = 10-400 nanometrov) so smrtonosne za človeka, vendar njihova pomanjkljivost povzroča nepopravljive procese. Naša osrednja zvezda daje veliko ultravijoličnega sevanja, zemeljsko vzdušje pa ga večinoma zadržuje.

Rentgenski in gama kvanti (lambda- < 10 nanometrov) imajo skupno razpon, vendar se razlikujejo po izvoru. Da bi jih dobili, morate pospešiti elektronov ali atome na zelo visoke hitrosti. Laboratorije ljudi so to sposobne, toda v naravi so takšne energije najdene samo znotraj zvezd ali v koliziji velikih predmetov. Primer slednjega je eksplozija supernove, absorpcija zvezd s črno luknjo, srečanje dveh galaksij ali galaksije in masivni plinski oblak.

V človeški dejavnosti se uporabljajo elektromagnetni valovi vseh razponov, in sicer njihova sposobnost, da jih oddajajo in absorbirajo atomi. Ne glede na to, kaj se je bralec odločil (ali bo samo izbral) kot svojo življenjsko pot, bo zagotovo srečal z rezultati spektralnih študij. Prodajalec uporablja sodoben plačilni terminal samo zato, ker je znanstvenik raziskoval lastnosti snovi in ​​ustvaril mikročip. Agrarno opliva polja in zbira velike pridelke zdaj le zato, ker ko je geolog odkril fosfor v kosu rude. Dekle nosi svetle obleke samo zaradi izuma obstojnih kemičnih barvil.

Toda če bralec želi povezati svoje življenje s svetom znanosti, je treba preučiti precej več od osnovnih pojmov procesa sevanja in absorpcije svetlobnih kvantov v atomih.