Линейни спектри - това е може би една от важните теми, които се разглеждат в курса по физика за 8. клас в раздела по оптика. Важно е, защото ни позволява да разберем атомната структура, както и да използваме това знание за изучаване на нашата Вселена. Нека разгледаме този въпрос в статията.
Концепцията за електромагнитните спектри
Първо, нека обясним за какво ще бъде статията. Всеки знае, че слънчевата светлина, която виждаме, е електромагнитни вълни. Всяка вълна се характеризира с два важни параметъра - нейната дължина и честота (третото й, не по-малко важно свойство е амплитудата, която отразява интензитета на излъчването).
В случай на електромагнитно излъчване и двата параметъра са свързани в следното уравнение: λν=c, където гръцките букви λ (ламбда) и ν (nu) обикновено означават дължината на вълната и нейната честота, съответно, и c е скоростта на светлината. Тъй като последното е постоянна стойност за вакуума, дължината и честотата на електромагнитните вълни са обратно пропорционални една на друга.
Електромагнитният спектър във физиката е приетназовете набора от различни дължини на вълната (честоти), които се излъчват от съответния източник на излъчване. Ако веществото абсорбира, но не излъчва вълни, тогава се говори за адсорбция или абсорбционен спектър.
Какво представляват електромагнитните спектри?
По принцип има два критерия за тяхната класификация:
- По честота на излъчване.
- Според метода за разпределение на честотата.
Няма да се спираме на разглеждането на 1-ви тип класификация в тази статия. Тук само накратко ще кажем, че има електромагнитни вълни с високи честоти, които се наричат гама лъчение (>1020 Hz) и рентгеново (1018) -10 19 Hz). Ултравиолетовият спектър вече е с по-ниски честоти (1015-1017 Hz). Видимият или оптичният спектър се намира в честотния диапазон 1014 Hz, което съответства на набор от дължини от 400 µm до 700 µm (някои хора са в състояние да виждат малко "по-широко": от 380 µm до 780 µm). По-ниските честоти съответстват на инфрачервения или топлинния спектър, както и на радиовълните, които вече могат да бъдат дълги няколко километра.
По-късно в статията ще разгледаме по-отблизо втория тип класификация, който е отбелязан в списъка по-горе.
Спектри на линия и непрекъснато излъчване
Абсолютно всяко вещество, ако се нагрее, ще излъчва електромагнитни вълни. Какви честоти и дължини на вълната ще бъдат те? Отговорът на този въпрос зависи от състоянието на агрегиране на изследваното вещество.
Течността и твърдите тела излъчват по правило непрекъснат набор от честоти, тоест разликата между тях е толкова малка, че можем да говорим за непрекъснат спектър на излъчване. От своя страна, ако се нагрее атомен газ с ниско налягане, той ще започне да "свети", излъчвайки строго определени дължини на вълната. Ако последните са развити върху фотографски филм, тогава те ще бъдат тесни линии, всяка от които отговаря за определена честота (дължина на вълната). Следователно този тип радиация се нарича спектър на излъчване на линия.
Между линията и непрекъснатия има междинен тип спектър, който обикновено излъчва молекулен, а не атомен газ. Този тип са изолирани ленти, всяка от които, когато се разгледа подробно, се състои от отделни тесни линии.
Линеен абсорбционен спектър
Всичко, което беше казано в предишния параграф, се отнася до излъчването на вълни от материята. Но има и абсорбираща способност. Нека проведем обичайния експеримент: нека вземем студен разреден атомен газ (например аргон или неон) и оставим бяла светлина от лампа с нажежаема жичка да премине през него. След това анализираме светлинния поток, преминаващ през газа. Оказва се, че ако този поток се разложи на отделни честоти (това може да се направи с помощта на призма), тогава в наблюдавания непрекъснат спектър се появяват черни ленти, които показват, че тези честоти са били погълнати от газа. В този случай се говори за спектър на линейна абсорбция.
В средата на XIX век. Немски учен на име ГуставКирхоф открива много интересно свойство: той забелязва, че местата, където се появяват черни линии в непрекъснатия спектър, отговарят точно на честотите на излъчване на дадено вещество. Понастоящем тази характеристика се нарича закон на Кирхоф.
серии Балмер, Лиман и Пашен
От края на 19-ти век физиците по целия свят се стремят да разберат какви са линейните спектри на радиацията. Установено е, че всеки атом от даден химичен елемент при всякакви условия показва една и съща излъчвателна способност, тоест излъчва електромагнитни вълни само с определени честоти.
Първите подробни изследвания на този въпрос са извършени от швейцарския физик Балмер. В своите експерименти той използва водороден газ, нагрят до високи температури. Тъй като водородният атом е най-простият сред всички известни химични елементи, най-лесно е да се проучат характеристиките на радиационния спектър върху него. Балмър получи невероятен резултат, който той записа като следната формула:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Тук λ е дължината на излъчената вълна, RH - някаква постоянна стойност, която за водорода е равна на 1, 097107 m -1, n е цяло число, започващо от 3, т.е. 3, 4, 5 и т.н.
Всички дължини λ, които се получават от тази формула, лежат в оптичния спектър, видим за хората. Тази серия от стойности на λ за водород се нарича спектърБалмер.
Впоследствие, използвайки подходящо оборудване, американският учен Теодор Лиман открива ултравиолетовия водороден спектър, който описва с формула, подобна на тази на Балмер:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Накрая друг немски физик, Фридрих Пашен, получи формула за излъчване на водород в инфрачервената област:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Въпреки това, само развитието на квантовата механика през 20-те години на миналия век може да обясни тези формули.
Ръдърфорд, Бор и атомният модел
През първото десетилетие на 20-ти век Ърнест Ръдърфорд (британски физик от новозеландски произход) провежда много експерименти за изследване на радиоактивността на различни химични елементи. Благодарение на тези изследвания се ражда първият модел на атома. Ръдърфорд вярвал, че това „зърно“материя се състои от електрически положително ядро и отрицателни електрони, въртящи се в орбитите му. Кулоновите сили обясняват защо атомът "не се разпада", а центробежните сили, действащи върху електроните, са причината последните да не попадат в ядрото.
В този модел всичко изглежда логично, с изключение на едно но. Факт е, че когато се движи по криволинейна траектория, всяка заредена частица трябва да излъчва електромагнитни вълни. Но в случай на стабилен атом този ефект не се наблюдава. Тогава се оказва, че самият модел е грешен?
Необходимите изменения бяха направени в негодруг физик е датчанинът Нилс Бор. Тези изменения сега са известни като негови постулати. Бор въведе две предложения в модела на Ръдърфорд:
- електроните се движат по стационарни орбити в атома, докато не излъчват или поглъщат фотони;
- процесът на излъчване (поглъщане) се случва само когато електрон се движи от една орбита в друга.
Какво представляват стационарните орбити на Бор, ще разгледаме в следващия параграф.
Квантиране на енергийните нива
Стационарните орбити на електрон в атом, за които Бор говори за първи път, са стабилни квантови състояния на тази вълна от частици. Тези състояния се характеризират с определена енергия. Последното означава, че електронът в атома е в някакъв енергиен "кладенец". Той може да влезе в друга "яма", ако получи допълнителна енергия отвън под формата на фотон.
В линейните абсорбционни и емисионни спектри за водород, чиито формули са дадени по-горе, можете да видите, че първият член в скоби е число от вида 1/m2, където m=1, 2, 3.. е цяло число. Той отразява номера на неподвижната орбита, към която преминава електронът от по-високо енергийно ниво n.
Как изследват спектрите във видимия диапазон?
Вече беше казано по-горе, че за това се използват стъклени призми. Това е направено за първи път от Исак Нютон през 1666 г., когато той разлага видимата светлина в набор от цветове на дъгата. Причината закойто този ефект се наблюдава се крие в зависимостта на показателя на пречупване от дължината на вълната. Например синята светлина (къси вълни) се пречупва по-силно от червената светлина (дълги вълни).
Забележете, че в общия случай, когато лъч от електромагнитни вълни се движи във всяка материална среда, високочестотните компоненти на този лъч винаги се пречупват и разсейват по-силно от нискочестотните. Отличен пример е синият цвят на небето.
Оптика на обектива и видим спектър
При работа с лещи често се използва слънчева светлина. Тъй като е непрекъснат спектър, при преминаване през лещата, честотите му се пречупват по различен начин. В резултат на това оптичното устройство не е в състояние да събере цялата светлина в една точка и се появяват преливащи се нюанси. Този ефект е известен като хроматична аберация.
Посоченият проблем с оптиката на лещите е частично решен чрез използване на комбинация от оптични очила в подходящи инструменти (микроскопи, телескопи).
