Čiarové spektrá – to je možno jedna z dôležitých tém, ktoré sa zvažujú v 8. ročníku kurzu fyziky v časti optika. Je to dôležité, pretože nám umožňuje pochopiť štruktúru atómu, ako aj použiť tieto znalosti na štúdium nášho vesmíru. Pozrime sa na tento problém v článku.
Koncept elektromagnetického spektra
V prvom rade si vysvetlime, o čom tento článok bude. Každý vie, že slnečné svetlo, ktoré vidíme, sú elektromagnetické vlny. Každá vlna sa vyznačuje dvoma dôležitými parametrami - jej dĺžkou a frekvenciou (jej treťou, nemenej dôležitou vlastnosťou je amplitúda, ktorá odráža intenzitu žiarenia).
V prípade elektromagnetického žiarenia oba parametre súvisia v nasledujúcej rovnici: λν=c, kde grécke písmená λ (lambda) a ν (nu) zvyčajne označujú vlnovú dĺžku a jej frekvenciu, resp. a c je rýchlosť svetla. Keďže toto je konštantná hodnota pre vákuum, dĺžka a frekvencia elektromagnetických vĺn sú navzájom nepriamo úmerné.
Elektromagnetické spektrum vo fyzike je akceptovanépomenujte súbor rôznych vlnových dĺžok (frekvencií), ktoré vyžaruje príslušný zdroj žiarenia. Ak látka absorbuje, ale nevyžaruje vlny, potom sa hovorí o adsorpčnom alebo absorpčnom spektre.
Čo sú elektromagnetické spektrá?
Vo všeobecnosti existujú dve kritériá na ich klasifikáciu:
- Podľa frekvencie žiarenia.
- Podľa metódy distribúcie frekvencie.
V tomto článku sa nebudeme zaoberať úvahami o 1. type klasifikácie. Tu len stručne povieme, že existujú elektromagnetické vlny vysokých frekvencií, ktoré sa nazývajú gama žiarenie (>1020 Hz) a röntgenové žiarenie (1018 -10 19 Hz). Ultrafialové spektrum má už nižšie frekvencie (1015-1017 Hz). Viditeľné alebo optické spektrum leží vo frekvenčnom rozsahu 1014 Hz, čo zodpovedá súboru dĺžok od 400 µm do 700 µm (niektorí ľudia sú schopní vidieť trochu „širšie“: od 380 um do 780 um). Nižšie frekvencie zodpovedajú infračervenému alebo tepelnému spektru, ako aj rádiovým vlnám, ktoré už môžu byť dlhé niekoľko kilometrov.
Neskôr v článku sa bližšie pozrieme na 2. typ klasifikácie, ktorý je uvedený v zozname vyššie.
Čiarové a spojité emisné spektrá
Absolútne každá látka, ak sa zahreje, vyžaruje elektromagnetické vlny. Aké budú frekvencie a vlnové dĺžky? Odpoveď na túto otázku závisí od stavu agregácie skúmanej látky.
Kvapalina a tuhé látky vyžarujú spravidla súvislý súbor frekvencií, to znamená, že rozdiel medzi nimi je taký malý, že môžeme hovoriť o spojitom spektre žiarenia. Na druhej strane, ak sa atómový plyn s nízkym tlakom zahreje, začne „žiariť“a vyžarovať presne definované vlnové dĺžky. Ak sú tieto vyvolané na fotografickom filme, budú to úzke čiary, z ktorých každá je zodpovedná za špecifickú frekvenciu (vlnovú dĺžku). Preto sa tento typ žiarenia nazýval čiarové emisné spektrum.
Medzi čiarou a spojitým sa nachádza prechodný typ spektra, ktoré zvyčajne vyžaruje skôr molekulárny než atómový plyn. Tento typ sú izolované pásy, z ktorých každý pri podrobnom preskúmaní pozostáva zo samostatných úzkych čiar.
Čiarové absorpčné spektrum
Všetko, čo bolo povedané v predchádzajúcom odseku, sa týkalo vyžarovania vĺn hmotou. Ale má aj nasiakavosť. Urobme zvyčajný experiment: vezmime studený vybitý atómový plyn (napríklad argón alebo neón) a necháme ním prechádzať biele svetlo zo žiarovky. Potom analyzujeme svetelný tok prechádzajúci plynom. Ukazuje sa, že ak sa tento tok rozloží na jednotlivé frekvencie (to sa dá urobiť pomocou hranola), potom sa v pozorovanom spojitom spektre objavia čierne pásy, ktoré naznačujú, že tieto frekvencie boli absorbované plynom. V tomto prípade sa hovorí o čiarovom absorpčnom spektre.
V polovici XIX storočia. Nemecký vedec menom GustavKirchhoff objavil veľmi zaujímavú vlastnosť: všimol si, že miesta, kde sa na súvislom spektre objavujú čierne čiary, presne zodpovedajú frekvenciám žiarenia danej látky. V súčasnosti sa táto funkcia nazýva Kirchhoffov zákon.
Série Balmer, Liman a Pashen
Od konca 19. storočia sa fyzici na celom svete snažili pochopiť, čo sú čiarové spektrá žiarenia. Zistilo sa, že každý atóm daného chemického prvku za akýchkoľvek podmienok vykazuje rovnakú emisivitu, to znamená, že vyžaruje elektromagnetické vlny iba špecifických frekvencií.
Prvé podrobné štúdie tejto problematiky vykonal švajčiarsky fyzik Balmer. Vo svojich experimentoch používal plynný vodík zahriaty na vysoké teploty. Pretože atóm vodíka je najjednoduchší zo všetkých známych chemických prvkov, je najjednoduchšie študovať na ňom vlastnosti spektra žiarenia. Balmer dosiahol úžasný výsledok, ktorý si zapísal ako nasledujúci vzorec:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Tu λ je dĺžka emitovanej vlny, RH - nejaká konštantná hodnota, ktorá sa pre vodík rovná 1, 097107 m -1, n je celé číslo začínajúce od 3, t. j. 3, 4, 5 atď.
Všetky dĺžky λ, ktoré sú získané z tohto vzorca, ležia v optickom spektre viditeľnom pre ľudí. Tento rad hodnôt λ pre vodík sa nazýva spektrumBalmer.
Následne pomocou vhodného vybavenia objavil americký vedec Theodore Liman ultrafialové vodíkové spektrum, ktoré opísal podobným vzorcom ako Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Nakoniec ďalší nemecký fyzik Friedrich Paschen získal vzorec na emisiu vodíka v infračervenej oblasti:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Napriek tomu iba rozvoj kvantovej mechaniky v 20. rokoch 20. storočia mohol vysvetliť tieto vzorce.
Rutherford, Bohr a atómový model
V prvej dekáde 20. storočia Ernest Rutherford (britský fyzik pôvodom z Nového Zélandu) vykonal množstvo experimentov na štúdium rádioaktivity rôznych chemických prvkov. Vďaka týmto štúdiám sa zrodil prvý model atómu. Rutherford veril, že toto „zrno“hmoty pozostáva z elektricky kladného jadra a záporných elektrónov rotujúcich po jeho dráhach. Coulombove sily vysvetľujú, prečo sa atóm „nerozpadne“a odstredivé sily pôsobiace na elektróny sú dôvodom, prečo elektróny nespadajú do jadra.
V tomto modeli sa zdá byť všetko logické, až na jedno ale. Faktom je, že pri pohybe po krivočiarej trajektórii musí každá nabitá častica vyžarovať elektromagnetické vlny. Ale v prípade stabilného atómu sa tento efekt nepozoruje. Potom sa ukáže, že samotný model je nesprávny?
Vykonali sa v ňom potrebné zmeny a doplneniaďalším fyzikom je Dán Niels Bohr. Tieto dodatky sú teraz známe ako jeho postuláty. Bohr zaviedol do Rutherfordovho modelu dva návrhy:
- elektróny sa pohybujú po stacionárnych dráhach v atóme, pričom nevyžarujú ani neabsorbujú fotóny;
- proces žiarenia (absorpcia) nastáva iba vtedy, keď sa elektrón pohybuje z jednej dráhy na druhú.
Čo sú stacionárne Bohrovy dráhy, zvážime v nasledujúcom odseku.
Kvantifikácia úrovní energie
Stacionárne dráhy elektrónu v atóme, o ktorých Bohr prvýkrát hovoril, sú stabilné kvantové stavy tejto časticovej vlny. Tieto stavy sa vyznačujú určitou energiou. To druhé znamená, že elektrón v atóme je v nejakej energetickej „dobre“. Môže sa dostať do inej „jamy“, ak dostane zvonku dodatočnú energiu vo forme fotónu.
V čiarových absorpčných a emisných spektrách vodíka, ktorých vzorce sú uvedené vyššie, môžete vidieť, že prvý člen v zátvorkách je číslo v tvare 1/m2, kde m=1, 2, 3.. je celé číslo. Odráža číslo stacionárnej dráhy, na ktorú elektrón prechádza z vyššej energetickej hladiny n.
Ako študujú spektrá vo viditeľnom rozsahu?
Už vyššie bolo povedané, že sa na to používajú sklenené hranoly. Prvýkrát to urobil Isaac Newton v roku 1666, keď rozložil viditeľné svetlo na súbor farieb dúhy. Dôvod preu ktorých sa tento efekt pozoruje, spočíva v závislosti indexu lomu od vlnovej dĺžky. Napríklad modré svetlo (krátke vlny) sa láme silnejšie ako červené svetlo (dlhé vlny).
Všimnite si, že vo všeobecnom prípade, keď sa lúč elektromagnetických vĺn pohybuje v akomkoľvek hmotnom médiu, vysokofrekvenčné zložky tohto lúča sa vždy lámu a rozptyľujú silnejšie ako nízkofrekvenčné. Skvelým príkladom je modrá farba oblohy.
Optika šošovky a viditeľné spektrum
Pri práci so šošovkami sa často využíva slnečné svetlo. Keďže ide o spojité spektrum, pri prechode šošovkou sa jeho frekvencie rôzne lámu. Výsledkom je, že optické zariadenie nie je schopné zhromaždiť všetko svetlo v jednom bode a objavujú sa dúhové odtiene. Tento efekt je známy ako chromatická aberácia.
Naznačený problém optiky šošoviek je čiastočne vyriešený použitím kombinácie optických skiel vo vhodných prístrojoch (mikroskopy, teleskopy).
