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

Детско креватче

Спектърът на излъчване или абсорбция е набор от вълни с определени честоти, които атом от дадено вещество излъчва или поглъща. Непрекъснатите спектри излъчват всички вещества, които са 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 характерен спектър само за него.

Билет номер 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 теорията си на два постулата. Първи постулат:една атомна система може да бъде само в специални стационарни или квантови състояния, всяко от които има своя собствена енергия; в неподвижно състояние атомът не излъчва.

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

Втори постулат:по време на прехода от едно стационарно състояние в друго се излъчва или абсорбира квант електромагнитно излъчване.Енергията на фотона е равна на разликата между енергиите на атом в две състояния: hv \u003d E m - Ε n; h = 6,62 10 -34 J s, където h е Константа на Планк.

Когато един електрон се движи от близка орбита към по-далечна, атомната система поглъща квант енергия. Когато се движи от по-далечна орбита на електрон към по-близка орбита по отношение на ядрото, атомната система излъчва квант енергия.

Теорията на Бор дава възможност да се обясни съществуването на линейни спектри.

Радиационен спектър(или поглъщания) — това е набор от вълни с определени честоти, които се излъчват (или поглъщат) от атом на дадено вещество.

Спектрите са плътен, облицовани на райета.

Непрекъснати спектриизлъчват всички вещества, които са в твърдо или течно състояние. Непрекъснатият спектър съдържа вълни от всички честоти на видимата светлина и следователно изглежда като цветна лента с плавен преход от един цвят към друг в този ред: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо и виолетово (Всеки ловец иска да знае къде се намира Фазан седи).

Линейни спектриизлъчват всички вещества в атомно състояние. Атомите на всички вещества излъчват набори от вълни с доста определени честоти, характерни само за тях. Както всеки човек има свои лични пръстови отпечатъци, така и атомът на дадено вещество има свой, характерен само за него спектър. Линейните емисионни спектри изглеждат като цветни линии, разделени с пропуски. Естеството 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 един атом може да промени, т.е. електронът в атом може да се прехвърля само от една конкретна орбита в друга, добре дефинирани орбити за даден химикал.

Раирани Spectraизлъчвани от молекули. Ивичестите спектри изглеждат като линейни, само че вместо отделни линии се наблюдават отделни серии от линии, възприемани като отделни ленти.

Характерно е, че който и спектър да се излъчва от тези атоми е еднакво погълнат, т.е. емисионните спектри съвпадат със спектрите на абсорбция по отношение на набора от излъчвани честоти. Тъй като атомите на различни вещества съответстват само натях спектри, тогава има начин да се определи химичен съставвещество чрез изследване на неговите спектри. Този метод се наричаспектрален анализ.Спектрален анализ се използва за определяне на химичния състав на минералните руди по време на добив, за определяне на химичния състав на звезди, атмосфери, планети; е основният метод за наблюдение на състава на вещество в металургията и машиностроенето.

Тази статия предоставя основните понятия, необходими, за да се разбере как светлината се излъчва и абсорбира от атомите. Той също така описва приложението на тези явления.

Смартфон и физика

Човек, който е роден след 1990 г., не може да си представи живота без различни електронни устройства. Смартфонът не само замества телефона, но също така дава възможност за наблюдение на обменните курсове, извършване на транзакции, извикване на такси и дори кореспонденция с астронавтите на борда на МКС чрез техните приложения. Съответно всички тези цифрови асистенти се приемат за даденост. Излъчването и поглъщането на светлина от атомите, благодарение на което стана възможна ерата на намаляването на всички видове устройства, ще изглежда на такива читатели само скучна тема в уроците по физика. Но в този раздел на физиката има много интересни и завладяващи неща.

Теоретична основа за откриването на спектрите

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

Структурата на атома

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

Парадокси на атома в рамките на теорията на Максуел

Тези данни пораждат няколко парадокси: 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 беше неясно защо всеки атом поглъща или излъчва само фотони 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 около ядрото само 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. то елементарни частицикоито нямат маса на почивка. Те съществуват само докато се движат през средата. Но те все още имат маса: когато ударят повърхността, те й предават инерция, което би било невъзможно без маса. Просто те превръщат масата си в енергия, правейки веществото, което удрят и от което се абсорбират, малко по-топло. Теорията на Бор не обяснява този факт. Свойствата на фотона и особеностите на неговото поведение се описват от квантовата физика. И така, фотонът е едновременно вълна и частица с маса. Фотонът, подобно на вълната, има следните характеристики: дължина (λ), честота (ν), енергия (E). Колкото по-дълга е дължината на вълната, толкова по-ниска е честотата и по-ниска е енергията.

Спектър на атом

Атомният спектър се формира на няколко етапа.

1. Електронът в атома се движи от орбитала 2 (по-висока енергия) към орбитала 1 (по-ниска енергия).
2. Освобождава се определено количество енергия, която се образува като квант светлина (hν).
3. излъчвани в околното пространство.

Така се получава линейният спектър на атома. Защо се нарича така се обяснява с формата му: когато специални устройства „уловят“ изходящи фотони на светлината, на записващото устройство се записват редица линии. За разделяне на фотони с различни дължини на вълната се използва феноменът на дифракция: вълните с различни честоти имат различни показатели на пречупване, следователно някои се отклоняват повече от други.

и спектри

Веществата са уникални за всеки вид атоми. Тоест, водородът, когато бъде излъчен, ще даде един набор от линии, а златото - друг. Този факт е в основата на приложението на спектрометрията. След като сте получили спектъра на всичко, можете да разберете от какво се състои веществото, как атомите са подредени в него един спрямо друг. Този метод също така ви позволява да определите различните 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 ставаше дума повече за това как атомите излъчват. Но обикновено всички електрони са в своите орбити в състояние на равновесие, те нямат причина да преминават в други състояния. За да може едно вещество да излъчва нещо, то първо трябва да абсорбира енергия. Това е недостатъкът на метода, който използва поглъщането и излъчването на светлина от атом. Нека кажем накратко, че веществото първо трябва да се нагрее или освети, преди да получим спектъра. Няма да има въпроси, ако учен изследва звездите, те вече светят благодарение на собствените си вътрешни процеси. Но ако искате да изучавате парче руда или хранителен продукт, тогава, за да получите спектър, той всъщност трябва да бъде изгорен. Този метод не винаги е подходящ.

Спектри на абсорбция

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 би могъл да заключи, че подобен анализ се използва само за да се определи от какво е направен материалът. Възможностите на спектрите обаче са много по-широки. С помощта на специални техники за изследване и разпознаване на ширината и интензитета на получените линии е възможно да се установи броят на атомите в съединението. Освен това този индикатор може да бъде изразен в различни единици:

• като процент (например тази сплав съдържа 1% алуминий);
• в молове (3 мола готварска сол се разтварят в тази течност);
• 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 запомниха позицията на линиите и оцениха техния нюанс с помощта на специални таблици, сега всичко това се прави от програми.

Приложение на спектрите

Ние вече анализирахме достатъчно подробно какво представляват излъчването и поглъщането на светлина от атомите. Спектрален анализ се използва много широко. Няма площ човешка дейност, където и да се използва разглежданото явление. Ето някои от тях:

1. В самото начало на статията говорихме за смартфони. Силициевите полупроводникови елементи са станали толкова малки, включително поради изследването на кристали с помощта на спектрален анализ.
2. Във всеки инцидент това е уникалността електронна обвивкаот всеки атом ви позволява да определите кой куршум е бил изстрелян първи, защо рамката на колата се е счупила или кулокранът е паднал, както и с каква отрова е бил отровен човекът и колко време е останал във водата.
3. Медицината използва спектрален анализ за собствени цели най-често по отношение на телесните течности, но се случва този метод да се прилага и към тъканите.
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, поради факта, че могат да улавят и анализират фотоните, които излъчват или поглъщат.

Електромагнитна везна

Най-вече обръщаме внимание на видимата светлина. Но в електромагнитната скала този сегмент е много малък. Това, което човешкото око не може да види, е много по-широко от седемте цвята на дъгата. Могат да се излъчват и абсорбират не само видими фотони (λ=380-780 нанометра), но и други кванти. Електромагнитната везна включва:

1. радио вълни(λ = 100 километра) предават информация на дълги разстояния. Поради много дългата им дължина на вълната, енергията им е много ниска. Усвояват се много лесно.
2. Терахерцови вълни(λ = 1-0,1 милиметра) доскоро бяха трудно достъпни. Преди това техният обхват беше включен в радиовълните, но сега този сегмент от електромагнитната скала е разпределен в отделен клас.
3. Инфрачервените вълни (λ = 0,74-2000 микрометра) носят топлина. Огън, лампа, Слънцето ги излъчват в изобилие.

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

ултравиолетови вълни(λ = 10-400 нанометра) са фатални за хората в излишък, но техният дефицит кара централната ни звезда да дава много ултравиолетови лъчи, а земната атмосфера задържа по-голямата част от него.

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 обхвати, а именно тяхната способност да се излъчват и абсорбират от атоми, се използват в човешката дейност. Независимо какво е избрал (или предстои да избере) читателят за свой жизнен път, той определено ще се натъкне на резултатите от спектрални изследвания. Продавачът използва модерен платежен терминал само защото един учен някога е изследвал свойствата на веществата и е създал микрочип. Земеделецът наторява нивите и сега прибира големи реколти само защото един геолог веднъж открил фосфор в парче руда. Момичето носи ярки тоалети само благодарение на изобретяването на устойчиви химически багрила.

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

Спектър- разпределението на енергията, излъчвана или погълната от дадено вещество, според честотите или дължините на вълната.

Ако се постави призма по пътя на лъч слънчева светлина, проникващ през тесен дълъг правоъгълен процеп, тогава на екрана ще видим не изображението на процепа, а опъната цветна лента с постепенен преход на цветовете от червено към виолетово - спектърът. Това явление е наблюдавано от Нютон. Това означава, че съставът на слънчевата светлина включва електромагнитни вълни с различни честоти. Такъв спектър се нарича твърдо.

Ако светлината се пропусне през призма, която се излъчва от нагрят газ, тогава спектърът ще изглежда като отделни цветни линии на черен фон. Такъв 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, който е различен от спектрите на други елементи.

Ако светлината премине през газ, тогава се появяват тъмни линии - линия на абсорбционен спектър.

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

Закономерности на излъчване на атоми

Излъчването на светлина възниква, когато електрон в атом преминава от по-висок 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 светлината е обратният процес. Атомът поглъща фотон, преминава от по-ниско състояние k в по-високо състояние n (n > k). В този случай атомът поглъща фотон с енергия

Честотно съзвездие електромагнитни вълни, които присъстват в излъчването на всяко тяло, се нарича емисионен спектър.

Спектрите са твърдо, управлявали райе.

Непрекъснати спектридават всички вещества, които са в твърдо или течно състояние. Непрекъснатият спектър съдържа вълни от всички честоти на видимата светлина и следователно изглежда като цветна лента с плавен преход от един цвят към друг в този 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 доста определени честоти, характерни само за тях. Както всеки човек има свои лични пръстови отпечатъци, така и атомът на дадено вещество има свой собствен спектър, характерен само за него. Линейните емисионни спектри изглеждат като цветни линии, разделени с пропуски. Естеството 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 един атом може да промени, т.е. електронът в атом може да се прехвърля само от една конкретна орбита в друга, добре дефинирани орбити за даден химикал.

Раирани Spectraса създадени от молекули, които не са свързани или слабо обвързан приятелс приятел. Ивичестите спектри изглеждат като линейни спектри, само че вместо отделни линии се наблюдават отделни серии от линии, възприемани като отделни ленти, разделени от тъмни пролуки.

Характерно е, че какъвто спектър се излъчва от тези атоми, същият се поглъща, т.е. емисионните спектри по отношение на набора от излъчвани честоти съвпадат със спектрите на абсорбция. Тъй като атомите на различни вещества съответстват на спектри, характерни само за тях, има начин да се определи химичният състав на веществото чрез изследване на неговите спектри. Този метод се нарича спектрален анализ. Спектрален анализ се използва за определяне на химичния състав на минералните руди по време на добив, за определяне на химичния състав на планетарните атмосфери; е основният метод за наблюдение на състава на вещество в металургията и машиностроенето.

Помислете за водороден атом.

Според теорията на Бор, когато един електрон се движи по неподвижната орбита, най-близка до ядрото, атомът е в основно състояние, което е най-стабилно. AT най-вечесъстояние един атом може да бъде неограничено дълго време, тъй като това състояние съответства на най-ниската възможна стойност на енергията на атома.

Когато един електрон се движи по някоя от другите разрешени орбити, състоянието на атома се нарича развълнувани е по-малко стабилен от основното състояние. След кратък период от време (от порядъка на 10 -8 s) атомът спонтанно преминава от възбудено състояние в основно състояние, като същевременно излъчва енергиен квант (фиг. 20.4):

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

Тъй като във възбудено състояние енергията на атома е по-голяма от енергията на земята, тогава атомът не може произволно да премине във възбудено състояние. Начините на възбуждане на атомите на дадено вещество могат да бъдат много различни: удряне на атом на някаква частица, химична реакция, излагане на светлина и др. Но те се оказват ефективни за възбуждане само когато доставят енергия в кванти, които са в състояние да възбудят тези атоми. Ако тази енергия е недостатъчна за прехвърляне на атом от по-ниско енергийно ниво към по-високо, тогава атомът ще получи такава енергия и например енергията на неговото топлинно хаотично движение ще се увеличи, но атомът няма да премине 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 поглъща светлина само с такава честота, която може да излъчва сама (законът за поглъщане и излъчване на светлина, получен експериментално от Г. Кирхоф). Изключение е случаят, когато външно действие може да придаде на атома енергия, по-голяма от тази, която е необходима за неговата йонизация. В този случай част от енергията на външното действие се изразходва за йонизация на атома, а излишната енергия се прехвърля на изхвърления електрон под формата на неговата кинетична енергия. Последното може да има произволна стойност.

И така, можем да направим следните изводи.

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

2. По време на прехода във възбудено състояние, атомът поглъща само такива кванти, които сам може да излъчи.

литература

Аксенович Л. А. Физика в гимназия: Теория. Задачи. Тестове: Proc. надбавка за институции, предоставящи общ. среди, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн.: Адукаци и издаване, 2004. - С. 580-581.