Sposobnost elektrona da apsorbiraju svjetlost i emitiraju valove. VI. Kvantna fizika. Što je spektar

Jasle

Emisijski ili apsorpcijski spektar je skup valova određenih frekvencija koje atom određene tvari emitira ili apsorbira. Kontinuirani spektri emitiraju sve tvari koje se nalaze u čvrstom ili tekuće stanje. Linijski spektri emitiraju sve tvari u atomskom stanju. Kao što svaka osoba ima svoje osobne otiske prstiju, atom određene tvari ima svoj spektar koji je samo njemu svojstven.

Ulaznica br. 2 3

Bohrovi kvantni postulati. Emisija i apsorpcija svjetlosti atoma. Spektralna analiza

Plan odgovora

1. Prvi postulat. 2. Drugi postulat. 3. Vrste spektara.

Bohr je svoju teoriju temeljio na dva postulata. Prvi postulat:atomski sustav može biti samo u posebnim stacionarnim ili kvantna stanja, od kojih svaki ima svoju energiju; U stacionarnom stanju atom ne zrači.

To znači da elektron (na primjer, u atomu vodika) može biti u nekoliko dobro definiranih orbita. Svaka elektronska orbita odgovara vrlo specifičnoj energiji.

Drugi postulat:tijekom prijelaza iz jednog stacionarnog stanja u drugo emitira se ili apsorbira kvant elektromagnetskog zračenja.Energija fotona jednaka je razlici energija atoma u dva stanja: hv = E m Ε n; h = 6,62 · 10 -34 J s, gdje je h Planckova konstanta.

Kada se elektron kreće iz bliže orbite u udaljeniju, atomski sustav apsorbira kvantu energije. Kada se elektron kreće iz udaljenije orbite u bližu orbitu u odnosu na jezgru, atomski sustav emitira kvantum energije.

Bohrova teorija omogućila je objašnjenje postojanja linijskih spektara.

Spektar emisije(ili preuzimanja) — Ovo je skup valova određenih frekvencija koje atom određene tvari emitira (ili apsorbira).

Postoje spektri čvrsta, podstavljena i prugasta.

Kontinuirani spektriemitiraju sve tvari u krutom ili tekućem stanju. Čvrsti spektar sadrži valove svih frekvencija vidljive svjetlosti i stoga se pojavljuje kao pojas boja s glatkim prijelazom iz jedne boje u drugu sljedećim redoslijedom: crvena, narančasta, žuta, zelena, plava i ljubičasta (Svaki lovac želi znati gdje fazan sjedi).

Linijski spektriemitiraju sve tvari u atomskom stanju. Atomi svih tvari emitiraju skupove valova vrlo specifičnih frekvencija koje su jedinstvene za njih. Kao što svaki čovjek ima svoje osobne otiske prstiju, tako i atom određene tvari ima svoj spektar, svojstven samo njemu. Linijski emisijski spektri izgledaju kao obojene linije odvojene razmacima. Priroda linijskih spektara objašnjava se činjenicom da atomi određene tvari imaju samo vlastita stacionarna stanja s vlastitom karakterističnom energijom, a time i vlastiti skup parova energetskih razina koje atom može mijenjati, tj. elektron u atom se može kretati samo iz jedne određene orbite u druge, dobro definirane orbite za danu kemijsku tvar.

Prugasti spektriemitiraju molekule. Prugasti spektri izgledaju slično linijskim spektrima, samo se umjesto pojedinačnih linija promatraju zasebne serije linija koje se percipiraju kao pojedinačne trake.

Ono što je karakteristično je da kakav god spektar ovi atomi emitiraju, isti se i apsorbira, tj. spektri emisije prema skupu emitiranih frekvencija podudaraju se sa spektrima apsorpcije. Budući da atomi različitih tvari odgovaraju samo ih spektra, onda postoji način za određivanje kemijski sastav tvari proučavajući njihove spektre. Ova metoda se zovespektralna analiza.Spektralna analiza služi za određivanje kemijskog sastava fosilnih ruda tijekom rudarenja, za određivanje kemijskog sastava zvijezda, atmosfera, planeta; je glavna metoda za praćenje sastava tvari u metalurgiji i strojogradnji.

Ovaj članak predstavlja osnovne pojmove potrebne za razumijevanje načina na koji atomi emitiraju i apsorbiraju svjetlost. Ovdje je također opisana primjena ovih fenomena.

Pametni telefon i fizika

Osoba koja je rođena nakon 1990. godine ne može zamisliti svoj život bez raznih elektroničkih uređaja. Pametni telefon ne samo da zamjenjuje telefon, već putem svojih aplikacija omogućuje praćenje tečaja, obavljanje transakcija, pozivanje taksija, pa čak i dopisivanje s astronautima na ISS-u. Sukladno tome, svi ti digitalni pomoćnici se podrazumijevaju. Emisija i apsorpcija svjetlosti atoma, koja je omogućila eru skupljanja svih vrsta uređaja, takvim će se čitateljima činiti samo dosadnom temom na nastavi fizike. Ali ima mnogo zanimljivih i uzbudljivih stvari u ovom dijelu fizike.

Teorijske osnove za otkrivanje spektara

Postoji izreka: "Radoznalost te nikada neće dovesti do dobra." Ali ovaj izraz se prije odnosi na činjenicu da je bolje ne miješati se u odnose drugih ljudi. Ako pokazujete znatiželju o svijetu oko sebe, neće se dogoditi ništa loše. Krajem devetnaestog stoljeća to je ljudima postalo jasno (dobro je opisano u Maxwellovom sustavu jednadžbi). Sljedeće pitanje koje su znanstvenici htjeli riješiti bila je struktura materije. Odmah moramo pojasniti: ono što je vrijedno za znanost nije emisija i apsorpcija svjetlosti atoma. Linijski spektri su posljedica ove pojave i osnova za proučavanje strukture tvari.

Struktura atoma

Još u staroj Grčkoj znanstvenici su sugerirali da se mramor sastoji od nekoliko nedjeljivih dijelova, "atoma". I sve do kraja devetnaestog stoljeća ljudi su mislili da su to najmanje čestice materije. Ali Rutherfordov eksperiment o raspršenju teških čestica na zlatnoj foliji pokazao je: atom također ima unutarnja struktura. Teška jezgra nalazi se u središtu i pozitivno je nabijena, oko nje kruže laki negativni elektroni.

Paradoksi atoma u okviru Maxwellove teorije

Ovi podaci doveli su do nekoliko paradoksa: prema Maxwellovim jednadžbama, svaka pokretna nabijena čestica emitira elektromagnetsko polje i stoga gubi energiju. Zašto onda elektroni ne padaju na jezgru, nego nastavljaju rotirati? Također nije bilo jasno zašto svaki atom apsorbira ili emitira fotone samo određene valne duljine. Bohrova teorija omogućila je uklanjanje tih nedosljednosti uvođenjem orbitala. Prema postulatima ove teorije, elektroni mogu biti samo oko jezgre u tim orbitalama. Prijelaz između dva susjedna stanja popraćen je ili emisijom ili apsorpcijom kvanta s određenom energijom. Emisija i apsorpcija svjetlosti od strane atoma događa se upravo zbog toga.

Valna duljina, frekvencija, energija

Za potpuniju sliku potrebno je reći nešto o fotonima. Ovaj elementarne čestice, koji nemaju masu mirovanja. Oni postoje samo dok se kreću kroz medij. Ali još uvijek imaju masu: kada udare o površinu, prenose na nju zamah, što bi bilo nemoguće bez mase. Oni jednostavno pretvaraju svoju masu u energiju, čineći tvar u koju udare i koju apsorbiraju malo toplijom. Bohrova teorija ne objašnjava tu činjenicu. Svojstva fotona i značajke njegovog ponašanja opisuje kvantna fizika. Dakle, foton je i val i čestica s masom. Foton, kao i val, ima sljedeće karakteristike: duljinu (λ), frekvenciju (ν), energiju (E). Što je duža valna duljina, niža je frekvencija i niža energija.

Spektar atoma

Atomski spektar se formira u nekoliko faza.

1. Elektron u atomu kreće se od orbite 2 (više energije) do orbite 1 (niže energije).
2. Oslobađa se određena količina energije koja se formira kao kvant svjetlosti (hν).
3. zračila u okolni prostor.

Tako se dobije linijski spektar atoma. Zašto se tako zove objašnjava njegov oblik: kada posebni uređaji "hvataju" odlazeće fotone svjetlosti, niz linija se bilježi na uređaju za snimanje. Za odvajanje fotona različitih valnih duljina koristi se fenomen difrakcije: valovi s različitim frekvencijama imaju različite indekse loma, stoga se neki otklone više od drugih.

i spektri

Tvari su jedinstvene za svaku vrstu atoma. To jest, vodik, kada se emitira, dat će jedan skup linija, a zlato - drugi. Ova činjenica je osnova za korištenje spektrometrije. Nakon što ste dobili spektar bilo čega, možete razumjeti od čega se tvar sastoji i kako se atomi u njoj nalaze jedan u odnosu na drugi. Ova metoda omogućuje određivanje različitih svojstava materijala, što se često koristi u kemiji i fizici. Apsorpcija i emisija svjetlosti od strane atoma jedan je od najčešćih alata za proučavanje svijeta oko nas.

Nedostaci metode emisijskih spektara

Do ove točke smo više govorili o tome kako atomi zrače. Ali obično su svi elektroni u svojim orbitalama u stanju ravnoteže; nemaju razloga za prelazak u druga stanja. Da bi tvar nešto emitirala, prvo mora apsorbirati energiju. Ovo je nedostatak metode, koja iskorištava apsorpciju i emisiju svjetlosti od strane atoma. Ukratko, tvar se prvo mora zagrijati ili osvijetliti prije nego što dobijemo spektar. Neće se pojaviti nikakva pitanja ako znanstvenik proučava zvijezde; one već sjaje zahvaljujući svojima unutarnji procesi. Ali ako želite proučavati komad rude ili prehrambeni proizvod, tada ga za dobivanje spektra zapravo treba spaliti. Ova metoda nije uvijek prikladna.

Apsorpcijski spektri

Emisija i apsorpcija svjetlosti atoma kao metoda “radi” u dva smjera. Možete zasjati širokopojasnim svjetlom na tvar (tj. onu u kojoj su prisutni fotoni različitih valnih duljina), a zatim vidjeti koje su valne duljine apsorbirane. Ali ova metoda nije uvijek prikladna: potrebno je da tvar bude prozirna za željeni dio elektromagnetske skale.

Kvalitativna i kvantitativna analiza

Postalo je jasno: spektri su jedinstveni za svaku tvar. Čitatelj bi mogao zaključiti da se takvom analizom samo utvrđuje od čega je materijal napravljen. Međutim, mogućnosti spektra su mnogo šire. Koristeći posebne tehnike za ispitivanje i prepoznavanje širine i intenziteta rezultirajućih linija, moguće je odrediti broj atoma uključenih u spoj. Štoviše, ovaj se pokazatelj može izraziti u različitim jedinicama:

• kao postotak (na primjer, ova legura sadrži 1% aluminija);
• u molovima (3 mola kuhinjske soli otopljena su u ovoj tekućini);
• u gramima (ovaj uzorak sadrži 0,2 g urana i 0,4 g torija).

Ponekad je analiza mješovita: kvalitativna i kvantitativna u isto vrijeme. Ali ako su ranije fizičari pamtili položaj linija i procjenjivali njihovu nijansu pomoću posebnih tablica, sada sve to rade programi.

Primjena spektara

Već smo pobliže raspravljali o tome što je emisija i apsorpcija svjetlosti od strane atoma. Spektralna analiza ima vrlo široku primjenu. Nema područja ljudska aktivnost, gdje god se koristi fenomen koji razmatramo. Ovo su neki od njih:

1. Na samom početku članka govorili smo o pametnim telefonima. Silicijski poluvodički elementi postali su tako mali dijelom zahvaljujući studijama kristala pomoću spektralne analize.
2. U svakom incidentu, to je jedinstvenost elektronska ljuska svaki atom omogućuje da se utvrdi koji je metak prvi ispaljen, zašto se slomio okvir automobila ili pala toranjska dizalica, kao i kojim je otrovom osoba otrovana i koliko je dugo provela u vodi.
3. Medicina koristi spektralnu analizu za svoje potrebe najčešće u odnosu na tjelesne tekućine, ali se događa da se ova metoda primjenjuje i na tkiva.
4. Daleke galaksije, oblaci kozmičkog plina, planeti u blizini stranih zvijezda – sve se to proučava uz pomoć svjetlosti i njezinog razlaganja na spektre. Znanstvenici uče sastav tih objekata, njihovu brzinu i procese koji se u njima odvijaju tako što mogu snimati i analizirati fotone koje emitiraju ili apsorbiraju.

Elektromagnetska vaga

Najviše pažnje posvećujemo vidljivom svjetlu. Ali na elektromagnetskoj skali ovaj segment je vrlo malen. Ono što ljudsko oko ne može otkriti mnogo je šire od sedam duginih boja. Ne samo vidljivi fotoni (λ = 380-780 nanometara), nego i drugi kvanti mogu biti emitirani i apsorbirani. Elektromagnetska vaga uključuje:

1. Radio valovi(λ = 100 kilometara) prenose informacije na velike udaljenosti. Zbog njihove vrlo velike valne duljine, njihova energija je vrlo niska. Vrlo se lako upijaju.
2. Terahertz valovi(λ = 1-0,1 milimetar) donedavno su bili teško dostupni. Ranije je njihov raspon bio uključen u radio valove, ali sada je ovaj segment elektromagnetske ljestvice izdvojen u zasebnu klasu.
3. Infracrveni valovi (λ = 0,74-2000 mikrometara) prenose toplinu. Vatra, svjetiljka, Sunce ih emitiraju u izobilju.

Razmotrili smo vidljivu svjetlost, pa o njoj nećemo detaljnije pisati.

Ultraljubičasti valovi(λ = 10-400 nanometara) smrtonosni su za ljude u višku, ali njihov nedostatak također uzrokuje da naša središnja zvijezda proizvodi mnogo ultraljubičastog zračenja, a Zemljina atmosfera zadržava većinu toga.

X-zrake i gama kvanti (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.

Elektromagnetski valovi svih raspona, odnosno njihova sposobnost da ih atomi emitiraju i apsorbiraju, koriste se u ljudskoj djelatnosti. Bez obzira na to što je čitatelj odabrao (ili će tek izabrati) kao svoj životni put, svakako će se susresti s rezultatima spektralnih istraživanja. Prodavač koristi moderni terminal za plaćanje samo zato što je jedan znanstvenik jednom proučavao svojstva tvari i stvorio mikročip. Poljoprivrednik gnoji polja i sada žanje velike žetve samo zato što je geolog jednom otkrio fosfor u komadu rude. Djevojka nosi svijetlu odjeću samo zahvaljujući izumu trajnih kemijskih boja.

Ali ako čitatelj želi povezati svoj život sa svijetom znanosti, tada će morati proučiti mnogo više od osnovnih pojmova procesa emisije i apsorpcije kvanti svjetlosti u atomima.

Raspon- raspodjela energije koju emitira ili apsorbira tvar po frekvencijama ili valnim duljinama.

Postavimo li prizmu na putanju zrake sunčeve svjetlosti koja prodire kroz dugi uski pravokutni prorez, tada na ekranu nećemo vidjeti sliku proreza, već rastegnutu traku u boji s postupnim prijelazom boja od crvene do ljubičaste. - spektar. Tu je pojavu uočio Newton. To znači da sunčeva svjetlost sadrži elektromagnetske valove različitih frekvencija. Ovaj spektar se zove čvrsta.

Ako svjetlost koju emitira zagrijani plin propustite kroz prizmu, spektar će izgledati kao pojedinačne obojene linije na crnoj pozadini. Ovaj spektar se zove linijski emisioni spektar. To znači da zagrijani plin emitira elektromagnetske valove s određenim skupom frekvencija. Istovremeno, svaki kemijski element emitira karakterističan spektar različit od spektra drugih elemenata.

Ako svjetlost prolazi kroz plin, pojavljuju se tamne linije - linijski apsorpcijski spektar.

Spektralna analiza- metoda za određivanje kvalitativnog i kvantitativnog sastava tvari, koja se temelji na dobivanju i proučavanju njezinih spektara.

Uzorci atomskog zračenja

Emisija svjetlosti nastaje kada se elektron u atomu pomakne s najvišeg mjesta razina energije E k na jednu od najnižih energetskih razina E n (k > n). Atom u ovom slučaju emitira foton s energijom

Apsorpcija svjetlosti je obrnuti proces. Atom apsorbira foton i prelazi iz nižeg stanja k u više stanje n (n > k). Atom u ovom slučaju apsorbira foton s energijom

Skup frekvencija Elektromagnetski valovi, koji su prisutni u zračenju bilo kojeg tijela, nazivaju se spektar zračenja.

Postoje spektri čvrsta, vladao I prugasta.

Kontinuirani spektri dati sve tvari koje su u krutom ili tekućem stanju. Čvrsti spektar sadrži valove svih frekvencija vidljive svjetlosti i stoga se pojavljuje kao pojas boja s glatkim prijelazom iz jedne boje u drugu sljedećim redoslijedom: crvena, narančasta, žuta, zelena, plava, indigo i ljubičasta („Svaki lovac želi znati gdje fazan sjedi.” ).

Linijski spektri dati sve tvari u plinovitom atomskom stanju. Izolirani atomi svih tvari emitiraju skupove valova dobro definiranih frekvencija koje su jedinstvene za njih. Kao što svaki čovjek ima svoje osobne otiske prstiju, tako i atom određene tvari ima svoj spektar, svojstven samo njemu. Linijski emisijski spektri izgledaju kao obojene linije odvojene razmacima. Priroda linijskih spektara objašnjava se činjenicom da atomi određene tvari imaju samo vlastita stacionarna stanja s vlastitom karakterističnom energijom, a time i vlastiti skup parova energetskih razina koje atom može mijenjati, tj. elektron u atom se može kretati samo iz jedne određene orbite u druge, dobro definirane orbite za danu kemijsku tvar.

Prugasti spektri stvaraju molekule koje nisu povezane ili su slabo povezane vezan prijatelj sa prijateljem. Prugasti spektri izgledaju slično linijskim spektrima, samo što se umjesto pojedinačnih linija promatraju zasebni nizovi linija koje se percipiraju kao zasebne pruge odvojene tamnim razmacima.

Ono što je karakteristično je da koji god spektar ovi atomi emitiraju, isti se i apsorbira, tj. Spektri emisije prema skupu emitiranih frekvencija podudaraju se s spektrima apsorpcije. Budući da atomi različitih tvari odgovaraju spektrima koji su jedinstveni za njih, postoji način da se odredi kemijski sastav tvari proučavanjem njezinih spektara. Ova metoda se zove spektralna analiza. Spektralna analiza koristi se za određivanje kemijskog sastava fosilnih ruda tijekom rudarenja, za određivanje kemijskog sastava planetarnih atmosfera; je glavna metoda za praćenje sastava tvari u metalurgiji i strojogradnji.

Razmotrimo atom vodika.

Prema Bohrovoj teoriji, kada se elektron kreće duž stacionarne orbite najbliže jezgri, atom je u osnovnom stanju, koje je najstabilnije. U uglavnom atom može ostati u tom stanju neograničeno vrijeme, jer to stanje odgovara najnižoj mogućoj energetskoj vrijednosti atoma.

Kada se elektron kreće u bilo kojoj drugoj od dopuštenih orbita, naziva se stanje atoma uzbuđen i manje je stabilan od osnovnog stanja. Nakon kratkog vremena (oko 10 -8 s), atom spontano prelazi iz pobuđenog stanja u osnovno stanje, emitirajući kvant energije (sl. 20.4):

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

Budući da je u pobuđenom stanju energija atoma veća nego u osnovnom stanju, atom ne može proizvoljno prijeći u pobuđeno stanje. Metode pobuđivanja atoma tvari mogu biti vrlo različite: udar čestice na atom, kemijske reakcije, izloženost svjetlu itd. Ali oni su učinkoviti za pobuđivanje samo kada daju energiju u kvantima koji mogu pobuditi dane atome. Ako ta energija nije dovoljna za prijenos atoma s niže energetske razine na višu, tada će atom prihvatiti takvu energiju i istodobno će npr. energija njegova toplinskog kaotičnog gibanja porasti, ali će atom ne prijeći u uzbuđeno stanje.

Energija fotona koju apsorbira atom tijekom prijelaza iz jednog stanja u drugo točno je jednaka razlici energija atoma u ta dva stanja (sl. 20.7):

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

Drugim riječima, apsorbira svjetlost samo takve frekvencije koju sama može emitirati (zakon apsorpcije i emisije svjetlosti, eksperimentalno dobiven od G. Kirchhoffa). Iznimka je slučaj kada vanjski utjecaj može dati atomu energiju veću od one potrebne za njegovu ionizaciju. U tom slučaju dio energije vanjskog utjecaja troši se na ionizaciju atoma, a višak energije prenosi se na izbačeni elektron u obliku njegove kinetičke energije. Potonji može imati proizvoljnu vrijednost.

Dakle, možemo izvući sljedeće zaključke.

1. Slobodan atom apsorbira i emitira energiju samo u cijelim kvantima.

2. Pri prijelazu u pobuđeno stanje atom apsorbira samo one kvante koje sam može emitirati.

Književnost

Aksenovich L. A. Fizika u Srednja škola: Teorija. Zadaci. Testovi: Udžbenik. dodatak za ustanove općeg obrazovanja. okoliš, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ur. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P. 580-581.