Способността на електроните да абсорбират светлина и да излъчват вълни. VI. Квантовата физика. Какво е спектър

Детско легло

Спектърът на излъчване или абсорбция е набор от вълни с определени честоти, които атом на дадено вещество излъчва или абсорбира. Непрекъснатите спектри излъчват всички вещества, разположени в твърдо или течно състояние. Линейните спектри излъчват всички вещества в атомно състояние. Както всеки човек има свои лични пръстови отпечатъци, така и атомът на дадено вещество има свой спектър, който е характерен само за него.

Билет № 2 3

Квантовите постулати на Бор. Излъчване и поглъщане на светлина от атоми. Спектрален анализ

План за реакция

1. Първи постулат. 2. Втори постулат. 3. Видове спектри.

Бор основава своята теория на два постулата. Първи постулат:атомна система може да бъде само в специални стационарни или квантови състояния, всяка от които има собствена енергия; В стационарно състояние атомът не излъчва.

Това означава, че един електрон (например във водороден атом) може да бъде в няколко добре дефинирани орбити. Всяка електронна орбита съответства на много специфична енергия.

Втори постулат:по време на прехода от едно стационарно състояние в друго се излъчва или поглъща квант електромагнитно излъчване.Енергията на един фотон е равна на разликата в енергиите на един атом в две състояния: hv = Е m Ε n; h = 6,62 · 10 -34 J s, където h Константа на Планк.

Когато един електрон се движи от близка орбита към по-далечна, атомната система абсорбира количество енергия. Когато един електрон се движи от по-далечна орбита към по-близка спрямо ядрото, атомната система излъчва енергиен квант.

Теорията на Бор направи възможно да се обясни съществуването на линейни спектри.

Емисионен спектър(или поглъщания) — Това е набор от вълни с определени честоти, които атом на дадено вещество излъчва (или поглъща).

Има спектри плътен, подплатени раирана.

Непрекъснати спектриизлъчват всички вещества в твърдо или течно състояние. Плътният спектър съдържа вълни от всички честоти на видимата светлина и следователно се появява като цветна лента с плавен преход от един цвят към друг в следния ред: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо и виолетово (всеки ловец иска да знае къде фазанът седи).

Линейни спектриизлъчват всички вещества в атомно състояние. Атомите на всички вещества излъчват набори от вълни с много специфични честоти, които са уникални за тях. Както всеки човек има свои лични отпечатъци, така и атомът на дадено вещество има свой спектър, характерен само за него. Линейните емисионни спектри изглеждат като цветни линии, разделени с интервали. Природата на линейните спектри се обяснява с факта, че атомите на определено вещество имат само свои собствени стационарни състояния със собствена характерна енергия и следователно свой собствен набор от двойки енергийни нива, които атомът може да промени, т.е. електрон в един атом може да се движи само от една специфична орбита към други, добре дефинирани орбити за дадено химично вещество.

Ивичести спектриизлъчвани от молекули. Ивичестите спектри изглеждат подобни на линейните спектри, само че вместо отделни линии се наблюдават отделни серии от линии, възприемани като отделни ленти.

Характерното е, че какъвто спектър се излъчва от тези атоми, същият се абсорбира, т.е. спектрите на излъчване според набора от излъчвани честоти съвпадат със спектрите на поглъщане. Тъй като атомите на различни вещества съответстват само натях спектри, тогава има начин да се определи химичен съставвещества чрез изследване на техните спектри. Този метод се наричаспектрален анализ.Спектрален анализ се използва за определяне на химичния състав на изкопаеми руди по време на добив, за определяне на химичния състав на звезди, атмосфери, планети; е основният метод за наблюдение на състава на дадено вещество в металургията и машиностроенето.

Тази статия въвежда основните понятия, необходими, за да разберем как светлината се излъчва и абсорбира от атомите. Приложението на тези явления също е описано тук.

Смартфон и физика

Човек, роден след 1990 г., не може да си представи живота си без различни електронни устройства. Смартфонът не само замества телефона, но също така позволява да се следят обменните курсове, да се правят транзакции, да се вика такси и дори да се води кореспонденция с астронавтите на борда на МКС чрез неговите приложения. Съответно всички тези цифрови асистенти се приемат за даденост. Излъчването и поглъщането на светлина от атомите, което направи възможна ерата на свиване на всички видове устройства, ще изглежда на такива читатели само скучна тема в уроците по физика. Но има много интересни и вълнуващи неща в този раздел на физиката.

Теоретична основа за откриването на спектри

Има една поговорка: „Любопитството никога няма да те доведе до добро“. Но този израз по-скоро се отнася до факта, че е по-добре да не се намесвате в отношенията на другите хора. Ако проявите любопитство към света около вас, нищо лошо няма да се случи. В края на деветнадесети век това става ясно на хората (добре е описано в системата от уравнения на Максуел). Следващият въпрос, който учените искаха да решат, беше структурата на материята. Веднага трябва да уточним: това, което е ценно за науката, не е излъчването и поглъщането на светлина от атомите. Линейните спектри са следствие от това явление и основа за изследване на структурата на веществата.

Атомна структура

Учените от Древна Гърция предполагат, че мраморът се състои от няколко неделими парчета, „атоми“. И до края на деветнадесети век хората смятаха, че това са най-малките частици материя. Но експериментът на Ръдърфорд върху разсейването на тежки частици върху златно фолио показа: атомът също има вътрешна структура. Тежкото ядро ​​се намира в центъра и е положително заредено, около него се въртят леки отрицателни електрони.

Парадокси на атома в рамките на теорията на Максуел

Тези данни породиха няколко парадокса: според уравненията на Максуел всяка движеща се заредена частица излъчва електромагнитно поле и следователно губи енергия. Защо тогава електроните не падат върху ядрото, а продължават да се въртят? Също така не беше ясно защо всеки атом абсорбира или излъчва фотони само с определена дължина на вълната. Теорията на Бор направи възможно премахването на тези несъответствия чрез въвеждане на орбитали. Според постулатите на тази теория електроните могат да бъдат само около ядрото в тези орбитали. Преходът между две съседни състояния е придружен или от излъчване, или от поглъщане на квант с определена енергия. Излъчването и поглъщането на светлина от атомите се случва именно поради това.

Дължина на вълната, честота, енергия

За по-пълна картина е необходимо да разкажем малко за фотоните. Това елементарни частици, които нямат маса на покой. Те съществуват само докато се движат през средата. Но те все още имат маса: когато се ударят в повърхност, те предават инерция към нея, което би било невъзможно без маса. Те просто преобразуват масата си в енергия, правейки веществото, което удрят и абсорбира, малко по-топло. Теорията на Бор не обяснява този факт. Свойствата на фотона и характеристиките на неговото поведение се описват от квантовата физика. И така, фотонът е едновременно вълна и частица с маса. Фотонът, както и вълната, има следните характеристики: дължина (λ), честота (ν), енергия (E). Колкото по-голяма е дължината на вълната, толкова по-ниска е честотата и толкова по-ниска е енергията.

Спектър на атом

Атомният спектър се формира на няколко етапа.

1. Електрон в атом се движи от орбитала 2 (по-висока енергия) към орбитала 1 (по-ниска енергия).
2. Отделя се известно количество енергия, което се образува като квант светлина (hν).
3. излъчвани в околното пространство.

Така се получава линеен спектър на атом. Защо се нарича така се обяснява с формата му: когато специални устройства „уловят“ изходящите фотони от светлина, серия от линии се записват на записващото устройство. За разделяне на фотони с различни дължини на вълната се използва явлението дифракция: вълни с различни честоти имат различни индекси на пречупване, поради което някои се отклоняват повече от други.

и спектри

Веществата са уникални за всеки тип атом. Тоест водородът, когато бъде излъчен, ще даде един набор от линии, а златото - друг. Този факт е в основата на използването на спектрометрията. След като сте получили спектъра на нещо, можете да разберете от какво се състои веществото и как атомите в него са разположени един спрямо друг. Този метод позволява да се определят различни свойства на материалите, което често се използва в химията и физиката. Поглъщането и излъчването на светлина от атомите е един от най-разпространените инструменти за изучаване на света около нас.

Недостатъци на метода на емисионните спектри

До този момент говорихме повече за това как атомите излъчват. Но обикновено всички електрони са в своите орбитали в състояние на равновесие; те нямат причина да преминават в други състояния. За да може едно вещество да излъчва нещо, то трябва първо да абсорбира енергия. Това е недостатък на метода, който използва абсорбцията и излъчването на светлина от атом. Накратко, веществото трябва първо да се нагрее или освети, преди да получим спектър. Няма да възникнат въпроси, ако учен изучава звезди; те вече светят благодарение на собствените си вътрешни процеси. Но ако искате да изследвате парче руда или хранителен продукт, тогава, за да получите спектър, той всъщност трябва да бъде изгорен. Този метод не винаги е подходящ.

Абсорбционни спектри

Излъчването и поглъщането на светлина от атомите като метод „работи” в две посоки. Можете да осветите широколентова светлина върху вещество (тоест такова, в което присъстват фотони с различни дължини на вълната) и след това да видите кои дължини на вълната се абсорбират. Но този метод не винаги е подходящ: необходимо е веществото да е прозрачно за желаната част от електромагнитната скала.

Качествен и количествен анализ

Стана ясно: спектрите са уникални за всяко вещество. Читателят може да заключи, че такъв анализ се използва само за да се определи от какво е направен материалът. Възможностите на спектрите обаче са много по-широки. Използвайки специални техники за изследване и разпознаване на ширината и интензитета на получените линии, е възможно да се определи броят на атомите, включени в съединението. Освен това този показател може да бъде изразен в различни единици:

• като процент (например тази сплав съдържа 1% алуминий);
• в молове (в тази течност се разтварят 3 мола готварска сол);
• в грамове (тази проба съдържа 0,2 g уран и 0,4 g торий).

Понякога анализът е смесен: качествен и количествен едновременно. Но ако по-рано физиците запомняха позицията на линиите и оценяваха техния цвят с помощта на специални таблици, сега всичко това се прави от програми.

Приложение на спектрите

Вече обсъдихме в някои подробности какво представлява излъчването и поглъщането на светлина от атомите. Спектралния анализ се използва много широко. Няма площ човешка дейност, където и да се използва явлението, което разглеждаме. Ето някои от тях:

1. В самото начало на статията говорихме за смартфони. Силициевите полупроводникови елементи са станали толкова малки благодарение отчасти на изследванията на кристали, използващи спектрален анализ.
2. Във всеки инцидент това е уникалността електронна обвивкавсеки атом позволява да се определи кой куршум е бил изстрелян първи, защо се е счупила рамката на кола или е паднал кулокран, както и с каква отрова е бил отровен човек и колко време е прекарал във водата.
3. Медицината използва спектралния анализ за свои цели най-често във връзка с телесни течности, но се случва този метод да се прилага и за тъкани.
4. Далечни галактики, облаци от космически газ, планети близо до извънземни звезди - всичко това се изучава с помощта на светлината и нейното разлагане на спектри. Учените научават състава на тези обекти, тяхната скорост и процесите, които протичат в тях, като могат да записват и анализират фотоните, които излъчват или поглъщат.

Електромагнитна скала

Обръщаме най-голямо внимание на видимата светлина. Но в електромагнитния мащаб този сегмент е много малък. Това, което човешкото око не може да открие, е много по-широко от седемте цвята на дъгата. Не само видимите фотони (λ = 380-780 нанометра), но и други кванти могат да бъдат излъчвани и абсорбирани. Електромагнитната скала включва:

1. Радио вълни(λ = 100 километра) предават информация на големи разстояния. Поради тяхната много дълга дължина на вълната, тяхната енергия е много ниска. Усвояват се много лесно.
2. Терахерцови вълни(λ = 1-0,1 милиметра) бяха труднодостъпни доскоро. Преди това техният обхват беше включен в радиовълните, но сега този сегмент от електромагнитната скала е отделен в отделен клас.
3. Инфрачервените вълни (λ = 0,74-2000 микрометра) пренасят топлина. Огън, лампа, Слънцето ги излъчват в изобилие.

Разгледахме видимата светлина, така че няма да пишем по-подробно за нея.

Ултравиолетови вълни(λ = 10-400 нанометра) са смъртоносни за хората в излишък, но техният дефицит също кара нашата централна звезда да произвежда много ултравиолетова радиация, а земната атмосфера задържа по-голямата част от нея.

Рентгенови и гама кванти (λ < 10 нанометров) имеют общий диапазон, но различаются по происхождению. Чтобы получить их, нужно разогнать электроны или атомы до очень высоких скоростей. Лаборатории людей способны на это, но в природе такие энергии встречаются только внутри звезд или при столкновениях массивных объектов. Примером последнего процесса могут служить взрывы сверхновых, поглощение звезды черной дырой, встреча двух галактик или галактики и массивного облака газа.

Електромагнитните вълни от всички диапазони, а именно способността им да се излъчват и поглъщат от атомите, се използват в човешката дейност. Независимо какво е избрал (или предстои да избере) читателят за свой път в живота, той непременно ще се сблъска с резултатите от спектралните изследвания. Продавачът използва модерен платежен терминал само защото един учен някога е изследвал свойствата на веществата и е създал микрочип. Фермерът наторява нивите и сега жъне големи реколти само защото един геолог някога е открил фосфор в парче руда. Момичето носи ярки дрехи само благодарение на изобретяването на устойчиви химически багрила.

Но ако читателят иска да свърже живота си със света на науката, тогава той ще трябва да изучава много повече от основните понятия за процеса на излъчване и поглъщане на светлинни кванти в атомите.

Обхват- разпределение на енергията, излъчена или погълната от дадено вещество, по честоти или дължини на вълните.

Ако поставим призма на пътя на лъч слънчева светлина, проникващ през дълъг тесен правоъгълен процеп, тогава на екрана ще видим не изображение на процепа, а разтегната цветна лента с постепенен преход на цветовете от червено към виолетово - спектър. Това явление е наблюдавано от Нютон. Това означава, че слънчевата светлина съдържа електромагнитни вълни с различни честоти. Този спектър се нарича твърдо.

Ако прекарате светлина, излъчвана от нагрят газ, през призма, спектърът ще изглежда като отделни цветни линии на черен фон. Този спектър се нарича линеен емисионен спектър. Това означава, че нагрятият газ излъчва електромагнитни вълни с определен набор от честоти. В същото време всеки химичен елементизлъчва характерен спектър, различен от спектрите на други елементи.

Ако светлината преминава през газ, се появяват тъмни линии - линеен спектър на поглъщане.

Спектрален анализ- метод за определяне на качествения и количествения състав на веществото, базиран на получаване и изследване на неговите спектри.

Модели на атомно излъчване

Излъчването на светлина възниква, когато електрон в атом се движи от най-високата си точка енергийно ниво E k до едно от най-ниските енергийни нива E n (k > n). Атомът в този случай излъчва фотон с енергия

Поглъщането на светлина е обратният процес. Атомът поглъща фотон и преминава от по-ниско състояние k към по-високо състояние n (n > k). Атомът в този случай поглъща фотон с енергия

Набор от честоти електромагнитни вълни, които присъстват в излъчването на всяко тяло, се наричат радиационен спектър.

Има спектри твърдо, управлявалИ раирана.

Непрекъснати спектридават всички вещества, които са в твърдо или течно състояние. Плътният спектър съдържа вълни от всички честоти на видимата светлина и следователно се появява като цветна лента с плавен преход от един цвят към друг в следния ред: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово („Всеки ловец иска да знам къде седи фазанът.” ).

Линейни спектридават всички вещества в газообразно атомно състояние. Изолираните атоми на всички вещества излъчват набори от вълни с добре дефинирани честоти, които са уникални за тях. Както всеки човек има свои лични отпечатъци, така и атомът на дадено вещество има свой спектър, характерен само за него. Линейните емисионни спектри изглеждат като цветни линии, разделени с интервали. Природата на линейните спектри се обяснява с факта, че атомите на определено вещество имат само свои собствени стационарни състояния със собствена характерна енергия и следователно свой собствен набор от двойки енергийни нива, които атомът може да промени, т.е. електрон в един атом може да се движи само от една специфична орбита към други, добре дефинирани орбити за дадено химично вещество.

Ивичести спектрисе създават от молекули, които не са свързани или са слабо свързани вързан приятелс приятел. Ивичестите спектри изглеждат подобни на линейните спектри, само че вместо отделни линии се наблюдават отделни серии от линии, възприемани като отделни ивици, разделени от тъмни интервали.

Характерното е, че какъвто спектър се излъчва от тези атоми, същият се абсорбира, т.е. Емисионните спектри според набора от излъчвани честоти съвпадат с абсорбционните спектри. Тъй като атомите на различни вещества съответстват на спектри, които са уникални за тях, има начин да се определи химичният състав на дадено вещество чрез изследване на неговите спектри. Този метод се нарича спектрален анализ. Спектралният анализ се използва за определяне на химичния състав на изкопаеми руди по време на добив, за определяне на химичния състав на планетарните атмосфери; е основният метод за наблюдение на състава на дадено вещество в металургията и машиностроенето.

Помислете за водородния атом.

Според теорията на Бор, когато един електрон се движи по стационарната орбита, най-близка до ядрото, атомът е в основно състояние, което е най-стабилно. IN предимноатомът може да остане в това състояние неограничено време, тъй като това състояние съответства на възможно най-ниската енергийна стойност на атома.

Когато един електрон се движи във всяка друга от разрешените орбити, се нарича състоянието на атома възбудени е по-малко стабилен от основното състояние. След кратък период от време (около 10 -8 s) атомът спонтанно преминава от възбудено състояние в основно състояние, излъчвайки енергиен квант (фиг. 20.4):

\(h\nu_(kn) = W_k - W_n.\)

Тъй като във възбудено състояние енергията на атома е по-голяма, отколкото в основно състояние, атомът не може произволно да премине във възбудено състояние. Методите за възбуждане на атомите на дадено вещество могат да бъдат много различни: удар на частица върху атом, химична реакция, излагане на светлина и др. Но те са ефективни за възбуждане само когато доставят енергия в кванти, които са в състояние да възбудят дадените атоми. Ако тази енергия не е достатъчна, за да прехвърли атома от по-ниско енергийно ниво на по-високо, тогава атомът ще приеме такава енергия и в същото време, например, енергията на топлинното му хаотично движение ще се увеличи, но атомът ще не изпадайте във възбудено състояние.

Енергията на фотон, погълнат от атом по време на прехода от едно състояние в друго, е точно равна на разликата в енергиите на атома в тези две състояния (фиг. 20.7):

\(h\nu_(21) = W_2 - W_1, h\nu_(31) = W_3 - W_1, \ldots\)

С други думи, той абсорбира светлина само с такава честота, която самият той може да излъчва (законът за поглъщане и излъчване на светлина, получен експериментално от Г. Кирхоф). Изключение прави случаят, когато външно въздействие може да придаде на атома енергия, по-голяма от необходимата за неговата йонизация. В този случай част от енергията на външното въздействие се изразходва за йонизация на атома, а излишната енергия се прехвърля на изхвърления електрон под формата на неговата кинетична енергия. Последният може да има произволна стойност.

И така, можем да направим следните изводи.

1. Свободният атом поглъща и излъчва енергия само в цели кванти.

2. При преминаване във възбудено състояние атомът поглъща само такива кванти, които сам може да излъчи.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в гимназия: Теория. Задачи. Тестове: Учебник. надбавка за институции, осигуряващи общо образование. среда, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн.: Адукация и вяхване, 2004. - С. 580-581.