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 krutom odn tekuće stanje. Linijski spektri emitiraju sve tvari u atomskom stanju. Kao što svaki čovjek ima svoje osobne otiske prstiju, tako i atom određene tvari ima svoj karakterističan spektar samo za njega.

Ulaznica broj 23

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 kvantnim stanjima, od kojih svako 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 orbita elektrona odgovara dobro definiranoj 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 kreće s udaljenije orbite elektrona na bližu orbitu u odnosu na jezgru, atomski sustav emitira kvantu energije.

Bohrova teorija omogućila je objašnjenje postojanja linijskih spektara.

Spektar zračenja(ili preuzimanja) — to je skup valova određenih frekvencija koje emitira (ili apsorbira) atom dane tvari.

Spektri su čvrsta, podstavljena i prugasta.

Kontinuirani spektrisve tvari koje su u krutom ili tekućem stanju zrače. Kontinuirani spektar sadrži valove svih frekvencija vidljive svjetlosti i stoga izgleda kao obojena traka s glatkim prijelazom iz jedne boje u drugu ovim redom: crvena, narančasta, žuta, zelena, plava i ljubičasta (svaki lovac želi znati gdje je Fazan sjedi).

Linijski spektriemitiraju sve tvari u atomskom stanju. Atomi svih tvari zrače skupove valova sasvim određenih frekvencija koje su samo njima svojstvene. Kao što svaki čovjek ima svoje osobne otiske prstiju, tako i atom određene tvari ima svoj, samo njemu svojstven spektar. Linijski emisijski spektri izgledaju kao obojene linije odvojene prazninama. Priroda linijskih spektara objašnjava se činjenicom da atomi određene tvari imaju samo vlastita stacionarna stanja s vlastitom karakterističnom energijom, a prema tome i vlastiti skup parova energetskih razina koje atom može mijenjati, tj. elektron u atomu može prijeći samo iz jedne određene orbite u drugu, dobro definiranu orbitu za određenu kemikaliju.

Prugasti spektriemitiraju molekule. Prugasti spektri izgledaju kao linijski spektri, samo se umjesto pojedinačnih linija promatraju odvojene serije linija koje se percipiraju kao zasebne trake.

Karakteristično je da koji god spektar ovi atomi emitiraju, isti se i apsorbira, tj. da se spektri emisije poklapaju sa spektrima apsorpcije u smislu skupa emitiranih frekvencija. Budući da atomi različitih tvari odgovaraju samo ih spektra, onda postoji način za određivanje kemijski sastav tvari proučavajući njezine 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 pruža osnovne koncepte potrebne za razumijevanje načina na koji atomi emitiraju i apsorbiraju svjetlost. Također opisuje primjenu 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 omogućuje praćenje tečaja, obavljanje transakcija, pozivanje taksija, pa čak i dopisivanje s astronautima na ISS-u putem njihovih aplikacija. Sukladno tome, svi ti digitalni pomoćnici se podrazumijevaju. Emisija i apsorpcija svjetlosti atoma, zahvaljujući kojoj je postala moguća era redukcije svih vrsta uređaja, takvim će se čitateljima činiti samo dosadnom temom na nastavi fizike. Ali ima mnogo zanimljivih i fascinantnih stvari u ovom dijelu fizike.

Teorijske osnove za otkrivanje spektara

Postoji izreka: "Radoznalost 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 prema 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. Moramo odmah pojasniti: za znanost nije dragocjena sama emisija i apsorpcija svjetlosti atoma. Linijski spektri su posljedica ove pojave i osnova za proučavanje strukture tvari.

Građa atoma

Znanstvenici u staroj Grčkoj sugerirali su da se mramor sastoji od nekoliko nedjeljivih komada, "atoma". I sve do kraja devetnaestog stoljeća ljudi su mislili da su to najmanje čestice materije. Ali Rutherfordovo iskustvo u raspršivanju teških čestica na zlatnoj foliji pokazalo je da atom također ima unutarnju strukturu. Teška jezgra je u središtu i pozitivno je nabijena, laki negativni elektroni kruže oko nje.

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 samo fotone određene valne duljine. Bohrova teorija omogućila je uklanjanje tih nedosljednosti uvođenjem orbitala. Prema postulatima ove teorije, elektroni mogu biti oko jezgre samo 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. to elementarne čestice koji nemaju masu mirovanja. Oni postoje samo dok se kreću kroz medij. Ali još uvijek imaju masu: kad udare o površinu, prenose na nju zamah, što bi bilo nemoguće bez mase. Samo što svoju masu pretvaraju u energiju, čineći tvar u koju udare i koja ih apsorbira 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 razdvajanje fotona različitih valnih duljina koristi se fenomen difrakcije: valovi različitih frekvencija imaju različite indekse loma, stoga se neki otklanjaju 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 primjenu spektrometrije. Nakon što ste primili spektar bilo čega, možete razumjeti od čega se tvar sastoji, kako su atomi raspoređeni u njoj jedan u odnosu na drugi. Ova metoda također vam 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 više se govorilo o tome kako atomi zrače. Ali obično su svi elektroni u svojim orbitama u stanju ravnoteže, nemaju razloga ići u druga stanja. Da bi tvar mogla nešto emitirati, prvo mora apsorbirati energiju. To je nedostatak metode koja iskorištava apsorpciju i emisiju svjetlosti atoma. Recimo ukratko da se tvar prvo mora zagrijati ili osvijetliti prije nego što dobijemo spektar. Neće biti pitanja ako znanstvenik proučava zvijezde, one već sjaje zahvaljujući svojima unutarnji procesi. Ali ako želite proučavati komad rude ili prehrambeni proizvod, onda da biste dobili spektar, zapravo ga 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 puno šire. Uz pomoć posebnih tehnika za ispitivanje i prepoznavanje širine i intenziteta nastalih linija, moguće je utvrditi broj atoma u spoju. 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 dovoljno detaljno analizirali što su emisija i apsorpcija svjetlosti od strane atoma. Spektralna analiza ima vrlo široku primjenu. Nema područja ljudska aktivnost, gdje god se koristi fenomen koji razmatramo. Evo nekih od njih:

1. Na samom početku članka govorili smo o pametnim telefonima. Silicijski poluvodički elementi postali su tako mali, uključujući i zbog proučavanja kristala pomoću spektralne analize.
2. U svakom incidentu, to je jedinstvenost elektronska ljuska svakog atoma omogućuje vam da odredite koji je metak prvi ispaljen, zašto je puknuo okvir automobila ili pao toranjski kran, kao i kojim je otrovom osoba otrovana i koliko je dugo ostala 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 zahvaljujući činjenici da mogu uhvatiti i analizirati fotone koje emitiraju ili apsorbiraju.

Elektromagnetska vaga

Najviše pažnje obraćamo na vidljivo svjetlo. Ali na elektromagnetskoj ljestvici ovaj segment je vrlo malen. Ono što ljudsko oko ne vidi 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 zrače ih u izobilju.

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

ultraljubičasti valovi(λ \u003d 10-400 nanometara) su kobni za ljude u višku, ali njihov nedostatak uzrokuje da naša središnja zvijezda daje puno 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 ljudskim aktivnostima. Bez obzira na to što je čitatelj odabrao (ili će izabrati) kao svoj životni put, svakako će naići na rezultate spektralnih studija. Prodavač koristi moderni terminal za plaćanje samo zato što je jedan znanstvenik jednom proučavao svojstva tvari i napravio mikročip. Agrar gnoji polja i sada žanje velike usjeve samo zato što je geolog jednom otkrio fosfor u komadu rude. Djevojka nosi svijetlu odjeću samo zahvaljujući izumu postojanih 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.

Spektar- raspodjela energije koju emitira ili apsorbira tvar, prema frekvencijama ili valnim duljinama.

Ako se prizma postavi na putanju zrake sunčeve svjetlosti koja prodire kroz uski dugi pravokutni prorez, tada na ekranu nećemo vidjeti sliku proreza, već razvučenu obojenu traku s postupnim prijelazom boja od crvene do ljubičaste. - spektar. Tu je pojavu uočio Newton. To znači da sastav sunčeve svjetlosti uključuje elektromagnetske valove različitih frekvencija. Takav spektar se zove čvrsta.

Ako se svjetlost propusti kroz prizmu, koju emitira zagrijani plin, tada će spektar izgledati kao odvojene obojene linije na crnoj pozadini. Takav 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 koji se razlikuje 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.

Zakonitosti zračenja atoma

Emisija svjetlosti nastaje kada elektron u atomu prolazi iz višeg 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, prelazi iz nižeg stanja k u više stanje n (n > k). U ovom slučaju atom apsorbira foton s energijom

Frekvencijska konstelacija Elektromagnetski valovi, koji su prisutni u zračenju bilo kojeg tijela, naziva se emisioni spektar.

Spektri su čvrsta, vladao i prugasta.

Kontinuirani spektri dati sve tvari koje su u krutom ili tekućem stanju. Kontinuirani spektar sadrži valove svih frekvencija vidljive svjetlosti i stoga izgleda kao obojena traka s glatkim prijelazom iz jedne boje u drugu ovim redom: 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 zrače skupove valova sasvim određenih frekvencija koje su samo njima svojstvene. 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 prazninama. Priroda linijskih spektara objašnjava se činjenicom da atomi određene tvari imaju samo vlastita stacionarna stanja s vlastitom karakterističnom energijom, a prema tome i vlastiti skup parova energetskih razina koje atom može mijenjati, tj. elektron u atomu može prijeći samo iz jedne određene orbite u drugu, dobro definiranu orbitu za određenu kemikaliju.

Prugasti spektri stvaraju nevezane ili slabo vezane molekule vezan prijatelj sa prijateljem. Prugasti spektri izgledaju kao linijski spektri, samo se umjesto pojedinačnih linija promatraju zasebni nizovi linija koje se percipiraju kao zasebne trake odvojene tamnim prazninama.

Karakteristično je da kakav spektar ovi atomi emitiraju, takav i apsorbiraju, tj. spektri emisije po skupu emitiranih frekvencija podudaraju se s apsorpcijskim spektrima. Budući da atomi različitih tvari odgovaraju spektrima koji su samo njima svojstveni, postoji način da se odredi kemijski sastav tvari proučavanjem njezinih spektara. Ova metoda se zove spektralna analiza. Spektralna analiza služi za određivanje kemijskog sastava mineralnih 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. NA uglavnom stanje atoma može biti neograničeno dugo, budući da to stanje odgovara najnižoj mogućoj vrijednosti energije atoma.

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

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

Kako je u pobuđenom stanju energija atoma veća od osnovne energije, tada atom ne može proizvoljno prijeći u pobuđeno stanje. Načini pobuđivanja atoma tvari mogu biti vrlo različiti: udar u atom neke čestice, kemijske reakcije, izloženost svjetlu itd. Ali pokazalo se da su učinkoviti za pobuđivanje samo kada daju energiju u kvantima koji mogu pobuditi te atome. Ako je ta energija nedostatna za prijenos atoma s niže energetske razine na višu, tada će atom primiti takvu energiju i npr. energija njegovog toplinskog kaotičnog gibanja će se povećati, ali atom neće prijeći u pobuđeni država.

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 da može sama emitirati (zakon apsorpcije i emisije svjetlosti eksperimentalno dobiven od G. Kirchhoffa). Iznimka je slučaj kada vanjsko djelovanje može atomu prenijeti energiju veću od one koja je potrebna za njegovu ionizaciju. U tom slučaju dio energije vanjskog djelovanja 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 zrači 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. Ispitivanja: Proc. dodatak za ustanove koje pružaju opće. okruženja, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ur. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsy i vykhavanne, 2004. - S. 580-581.