Emisie a absorpcia svetla atómami. Vznik línie spektra

Tento článok predstavuje základné pojmy potrebné na pochopenie toho, ako atómy vyžarujú a absorbujú svetlo. Tiež je tu opísané použitie týchto javov.

Smartphone a fyzika

Muž, ktorý sa narodil po roku 1990, jeho život bez rôznych elektronických zariadení si nedokáže predstaviť. Inteligentný telefón nielen nahrádza telefón, ale umožňuje sledovať menové kurzy, robiť obchody, zavolať taxíky a dokonca zodpovedať astronautom na palube ISS prostredníctvom svojich aplikácií. Preto sú všetci títo digitálni asistenti vnímaní ako samozrejmosť. Emisie a absorpcia svetla atómmi, vďaka čomu sa éra redukcie všetkých druhov zariadení stala možná, sa takýmto čitateľom zdajú byť len nudnou témou vo výučbe fyziky. Ale v tejto časti fyziky veľa zaujímavých a fascinujúcich.

Teoretické predpoklady pre objavenie spektra

Existuje príslovie: "Zvedavosť nevedie k dobru". Tento výraz sa však viac odvoláva na skutočnosť, že je lepšie nezasahovať do vzťahov iných ľudí. Ak ukážete zvedavosť okolitému svetu, nič nebude zlé. Na konci devätnásteho storočia si ľudia uvedomili povahu magnetizmu (je to dobre opísané v systéme Maxwellových rovníc). Ďalšou otázkou, ktorú vedci chceli vyriešiť, bola štruktúra hmoty. Musíme okamžite objasniť: pre vedu nie je cenná samotná emisia a absorpcia svetla atómami. Spektrum riadené sú dôsledkom tohto javu a základom pre štúdium štruktúry látok.

Štruktúra atómu

Vedci dokonca v starovekom Grécku predpokladali, že mramor sa skladá z niekoľkých nedeformovateľných bitov, "atómov". A až do konca devätnásteho storočia ľudia mysleli, že sú to najmenšie častice hmoty. Rutherfordova skúsenosť s rozptýlením ťažkých častíc na zlatú fóliu však ukázala, že atóm má tiež vnútornú štruktúru. Tvrdé jadro je v strede a nabitá pozitívne, svetlé negatívne elektróny sa okolo neho otáčajú.

Paradoxy atómu v rámci Maxwellovej teórie

Tieto údaje priniesli do života niekoľko paradoxov: podľa Maxwellových rovníc, každá pohyblivá nabitá častica vyžaruje elektromagnetické pole, a preto stráca energiu. Prečo teda elektróny nespadajú na jadro, ale stále sa otáčajú? Nebolo tiež jasné, prečo každý atóm absorbuje alebo vyžaruje fotóny len s určitou vlnovou dĺžkou. Bohrová teória umožnila eliminovať tieto rozdiely zavedením orbitálov. Podľa postulátov tejto teórie môžu byť elektróny okolo jadra len na týchto orbitálnych orgánoch. Prechod medzi dvoma susednými štátmi je sprevádzaný emisiou alebo absorpciou kvantovej energie s určitou energiou. Emisie a absorpcia svetla atómmi je dôsledkom toho.

Vlnová dĺžka, frekvencia, energia

Pre úplnejší obraz je potrebné povedať trochu o fotónoch. Sú to elementárne častice, ktoré nemajú žiadnu hmotnosť odpočinku. Existujú iba počas pohybu v prostredí. Ale hmota ešte má: narážala na povrch, im dávajú impulz, ktorý by bez masáže nebol možný. Len premení svoju hmotu na energiu, čím látku zasiahne a ktorú absorbuje trochu teplejšie. Bohrová teória túto skutočnosť nevysvetľuje. Vlastnosti fotónu a vlastnosti jeho správania sú opísané kvantovou fyzikou. Takže fotón je ako vlna, tak i častica s hmotnosťou. Fotón a ako vlna má nasledujúce charakteristiky: dĺžka (λ), frekvencia (ν), energia (E). Čím dlhšia je vlnová dĺžka, tým nižšia je frekvencia a čím je energia nižšia.

Spektrum atómu

Atomové spektrum sa vytvára v niekoľkých štádiách.

1. Elektrón v atóme prechádza z orbitalu 2 (s vyššou energiou) na orbitál 1 (s nižšou energiou).
2. Uvoľňuje sa určité množstvo energie, ktoré sa vytvára ako kvantum svetla (hν).
3. Táto kvantum sa emituje do okolitého priestoru.

Týmto spôsobom sa získa spektrum línie atómu. Prečo sa nazýva takýmto spôsobom, vysvetľuje jeho formu: ak špeciálne zariadenia "zachytia" odchádzajúce fotóny svetla, počet záznamov je na záznamovom zariadení fixovaný. Na oddelenie fotónov rôznych vlnových dĺžok sa používa fenomén difrakcie: vlny s rôznymi frekvenciami majú odlišný index lomu, preto sa niektoré odlišujú silnejšie ako iné.

Vlastnosti látok a spektier

Spektrum línie látky je jedinečné pre každý typ atómu. To znamená, že vodík vyžaruje jednu súpravu a zlato - druhú. Táto skutočnosť je základom pre aplikáciu spektrometrie. Keď ste dostali spektrum čokoľvek, môžete pochopiť, z čoho sa látka skladá, ako sú vzájomne usporiadané atómy. Táto metóda vám umožňuje určiť a rôzne vlastnosti materiálov, ktoré často používajú chémiu a fyziku. Absorpcia a emisia svetla atómami sú jedným z najbežnejších nástrojov na štúdium okolitého sveta.

Nevýhody metódy emisných spektier

Až do tohto okamihu to bolo viac o tom, ako atómy vyžarujú. Ale zvyčajne sú všetky elektróny vo svojich orbitalizáciách v stave rovnováhy, nemajú dôvod premeniť sa na iné štáty. Aby látka mohla niečo emitovať, musí najprv absorbovať energiu. Toto je nevýhodou metódy, ktorá využíva absorpciu a emisiu svetla atómom. Stručne povedzme, že pred získaním spektra musí byť látka najskôr zahriata alebo osvetlená. Otázky nevzniknú, ak vedec študuje hviezdy, už svietia kvôli vlastným vnútorným procesom. Ale ak chcete študovať kus rudy alebo jedlo, potom aby ste získali spektrum, musíte ho skutočne spáliť. Táto metóda nie vždy funguje.

Absorpčné spektrá

Žiarenie a absorpcia svetla atómami ako metóda "funguje" v dvoch smeroch. Môžete svietiť na látke širokopásmovým svetlom (to znamená, v ktorom sú fotóny rôznych vlnových dĺžok) a potom zistiť, aké vlnové dĺžky sú absorbované. Ale táto metóda nie je vždy vhodná: je potrebné, aby látka bola priehľadná pre požadovanú časť elektromagnetickej škály.

Kvalitatívna a kvantitatívna analýza

Zistilo sa, že spektra sú pre každú látku jedinečné. Čitateľ mohol dospieť k záveru, že takáto analýza sa používa iba na určenie toho, čo je materiál vyrobený. Spektrá sú však oveľa širšie. S pomocou špeciálnych techník na skúmanie a rozpoznávanie šírky a intenzity výsledných čiar je možné určiť počet atómov vstupujúcich do zlúčeniny. A tento ukazovateľ môže byť vyjadrený v rôznych jednotkách:

• V percentách (napríklad v tejto zliatine obsahuje 1% hliníka);
• V moloch (v tejto kvapaline sa rozpúšťajú 3 mól bežnej soli);
• V gramoch (v tejto vzorke je 0,2 g uránu a 0,4 g tória).

Niekedy je analýza zmiešaná: kvalitatívne a kvantitatívne súčasne. Ak však skorší fyzici si uvedomili pozíciu línií srdcom a zhodnotili svoj odtieň pomocou špeciálnych tabuliek, teraz všetky tieto programy robia.

Aplikácia spektra

Už sme dôkladne analyzovali, aké sú emisie a absorpcia svetla atómami. Spektrálna analýza sa používa veľmi široko. Neexistuje žiadna oblasť ľudskej činnosti všade, kde sa používa fenomén, ktorý uvažujeme. Tu sú niektoré z nich:

1. Na samom začiatku článku sme hovorili o inteligentných telefónoch. Silikónové polovodičové prvky sa stali takými malými, a to aj štúdiom kryštálov pomocou spektrálnej analýzy.
2. V každom prípade jedinečnosť elektrónového plášťa každého atómu umožňuje zistiť, ktorá z nich bola vypálená najskôr, prečo došlo k rozbitiu kostry auta alebo k pádu vežového žeriavu a čo jedol človek bol otrávený a ako dlho zostal vo vode.
3. Medicína používa spektrálnu analýzu na svoje vlastné účely najčastejšie vo vzťahu k telovým tekutinám, ale stane sa, že táto metóda sa aplikuje aj na tkanivá.
4. Farálne galaxie, mraky kozmického plynu, planéty v hviezdach iných ľudí - to všetko sa skúma pomocou svetla a jeho rozkladom do spektra. Vedci rozpoznávajú zloženie týchto objektov, ich rýchlosť a procesy, ktoré sa v nich vyskytujú vďaka tomu, že môžu fixovať a analyzovať fotóny, ktoré emitujú alebo absorbujú.

Elektromagnetická škála

Väčšinou sa venujeme pozornosti viditeľnému svetlu. Ale v elektromagnetickom meradle je tento segment veľmi malý. Čo ľudské oko nefixuje, je oveľa širšie ako sedem farieb dúhy. Nielen viditeľné fotóny (λ = 380-780 nanometrov), ale aj iné kvantá môžu byť emitované a absorbované. Elektromagnetická mierka zahŕňa:

1. Rádiové vlny (λ = 100 km) prenášajú informácie na dlhé vzdialenosti. Kvôli veľmi dlhej vlnovej dĺžke je ich energia veľmi nízka. Sú veľmi ľahko absorbované.
2. Terahertzové vlny (λ = 1-0,1 milimetrov) boli nedávno ťažko prístupné. Predtým ich rozsah bol zahrnutý do rádiových vĺn, ale teraz je tento segment elektromagnetického rozsahu pridelený do samostatnej triedy.
3. Infračervené vlny (λ = 0,74-2000 mikrometrov) prenášajú teplo. Ohňost, sviečka, slnko ich vyžaruje hojne.

Viditeľné svetlo, skúmali sme, takže o ňom nebudeme viac písať.

Ultrafialové vlny (λ = 10-400 nanometrov) sú smrteľné pre ľudí v prebytku, ale ich nedostatok spôsobuje nezvratné procesy. Naša centrálna hviezda dáva veľa ultrafialového svetla a atmosféra Zeme drží väčšinu.

Röntgenové a gama kvantá (λ <10 nanometrov) majú spoločný rozsah, ale líšia sa pôvodom. Ak chcete získať ich, musíte urýchliť elektróny alebo atómy na veľmi vysoké rýchlosti. Laboratóriá ľudí to dokážu, ale v prírode sa takéto energie nachádzajú len vo vnútri hviezd alebo v kolíziách masívnych objektov. Príkladom posledného procesu môže byť výbuch supernov, absorpcia hviezdy čiernou dierou, stretnutie dvoch galaxií alebo galaxie a masívny plynový oblak.

Elektromagnetické vlny všetkých rozsahov, menovite ich schopnosť emitovať a absorbované atómami, sa používajú v ľudskej činnosti. Bez ohľadu na to, čo si čitateľ vybral (alebo sa rozhodne len vyberať) ako svoju životnú cestu, určite sa stretne s výsledkami spektrálnych štúdií. Predávajúci používa moderný platobný terminál len preto, že keď vedec preskúmal vlastnosti látok a vytvoril mikročip. Agrárne oplodňuje pole a zhromažďuje veľké výnosy teraz len preto, že geológ objavil fosfor v kuse rudy. Dievča nosí svetlé oblečenie len vďaka vynálezu perzistentných chemických farbív.

Ak však čitateľ chce spojiť svoj život so svetom vedy, potom je potrebné študovať oveľa viac ako základné pojmy procesu žiarenia a absorpcie kvantových svetiel v atómoch.