Здатність електронів поглинати світло та випромінювати хвилі. VI. Квантова фізика. Що таке спектр

Шпаргалка

Спектр випромінювання або поглинання це набір хвиль певних частот, які випромінює або поглинає атом даної речовини. Суцільні спектри випромінюють всі речовини, що знаходяться в твердому або рідкому стані. Лінійчасті спектри випромінюють усі речовини в атомарному стані. Як у кожної людини свої особисті відбитки пальців, так і в атома даної речовини свій характерний тільки йому спектр.

Білет №2 3

Квантові постулати Бору. Випускання та поглинання світла атомами. Спектральний аналіз

План відповіді

1. Перший постулат. 2. Другий постулат. 3. Види спектрів.

В основу своєї теорії Бор поклав два постулати. Перший постулат:атомна система може бути лише у спеціальних стаціонарних чи квантових станах, кожному у тому числі відповідає своя энергия; у стаціонарному стані атом не випромінює.

Це означає, що електрон (наприклад, в атомі водню) може бути на кількох цілком певних орбітах. Кожній орбіті електрона відповідає цілком певна енергія.

Другий постулат:при переході з одного стаціонарного стану до іншого випромінюється або поглинається квант електромагнітного випромінювання.Енергія фотона дорівнює різниці енергій атома у двох станах: hv = Е m - Е n; h = 6,62 10 -34 Дж с де h - постійна Планка.

При переході електрона з ближньої орбіти більш віддалену, атомна система поглинає квант енергії. При переході з більш віддаленої орбіти електрона на ближню орбіту до ядра атомна система випромінює квант енергії.

Теорія Бору дозволила пояснити існування лінійних спектрів.

Спектр випромінювання(або поглинання) — це набір хвиль певних частот, які випромінює (або поглинає) атом цієї речовини.

Спектри бувають суцільні, лінійніта смугасті.

Суцільні спектривипромінюють усі речовини, що знаходяться у твердому або рідкому стані. Суцільний спектр містить хвилі всіх частот видимого світла і тому виглядає як кольорова смуга з плавним переходом від одного кольору до іншого в такому порядку: Червоний, Помаранчевий, Жовтий, Зелений, Синій та Фіолетовий (Кожен Мисливець Бажає Знати, де Сидить Фазан).

Лінійчасті спектривипромінюють усі речовини в атомарному стані. Атоми всіх речовин випромінюють властиві лише їм набори хвиль цілком певних частот. Як у кожної людини свої особисті відбитки пальців, так і в атома даної речовини свій характерний тільки йому спектр. Лінійчасті спектри випромінювання виглядають як кольорові лінії розділені проміжками. Природа лінійчастих спектрів пояснюється тим, що в атомів конкретної речовини існують тільки йому властиві стаціонарні стани зі своєю характерною енергією, а отже, і свій набір пар енергетичних рівнів, які може змінювати атом, тобто електрон в атомі може переходити лише з певних орбіт інші, цілком певні орбіти для даного хімічного речовини.

Смугасті спектривипромінюються молекулами. Виглядають смугасті спектри подібно до лінійних, тільки замість окремих ліній спостерігаються окремі серії ліній, що сприймаються як окремі смуги.

Характерним є те, що який спектр випромінюється даними атомами, такий і поглинається, тобто спектри випромінювання по набору випромінюваних частот збігаються зі спектрами поглинання. Оскільки атомам різних речовин відповідають властиві тількиїм спектри, то існує спосіб визначення хімічного складуречовини шляхом вивчення його спектрів. Цей спосіб називаєтьсяспектральний аналіз.Спектральний аналіз застосовується визначення хімічного складу копалин руд при видобутку корисних копалин, визначення хімічного складу зірок, атмосфер, планет; є основним методом контролю складу речовини у металургії та машинобудуванні.

У цій статті наводяться основні поняття, необхідні для розуміння того, як відбувається випромінювання та поглинання світла атомами. Також тут описується застосування цих явищ.

Смартфон та фізика

Людина, яка народилася пізніше 1990 року, своє життя без різноманітних електронних пристроїв не може уявити. Смартфон не тільки замінює телефон, але й дає можливість стежити за курсами валют, здійснювати угоди, викликати таксі і навіть переписуватись з космонавтами на борту МКС через свої програми. Відповідно, і сприймаються всі ці цифрові помічники як щось зрозуміле. Випускання та поглинання світла атомами, завдяки яким і стала можлива ера зменшення всіляких пристроїв, таким читачам здасться лише нудною темою під час уроків фізики. Але в цьому розділі фізики багато цікавого та захоплюючого.

Теоретичні передумови для відкриття спектрів

Є приказка: «Цікавість до добра не доведе». Але це вираз швидше стосується того факту, що в чужі стосунки краще не втручатися. Якщо виявити допитливість до навколишнього світу, нічого поганого не буде. Наприкінці дев'ятнадцятого століття людям стала зрозумілою (вона добре описана в системі рівнянь Максвелла). Наступним питанням, яке захотілося вирішити вченим, стала будова речовини. Треба одразу уточнити: для науки цінне не саме випромінювання та поглинання світла атомами. Лінійчасті спектри - це наслідки цього явища і основу вивчення будови речовин.

Будова атома

Вчені ще у Стародавній Греції припустили, що мармур складається з деяких неподільних шматочків, «атомів». І до кінця ХІХ століття люди думали, що це найменші частинки речовини. Але досвід Резерфорда щодо розсіювання важких частинок на золотій фользі показав: атом теж має внутрішню будову. Тяжке ядро ​​знаходиться в центрі і заряджено позитивно, легкі негативні електрони обертаються навколо нього.

Парадокси атома в рамках теорії Максвелла

Ці дані викликали до життя кілька парадоксів: згідно з рівняннями Максвелла, будь-яка заряджена частка, що рухається, випускає електромагнітне поле, отже, втрачає енергію. Чому тоді електрони не падають на ядро, а продовжують обертатися? Також було незрозуміло, чому кожен атом поглинає або випромінює фотони лише певної довжини хвилі. Теорія Бору дозволила усунути ці невідповідності шляхом введення орбіталей. Відповідно до постулатів цієї теорії, електрони можуть бути навколо ядра лише з цих орбіталях. Перехід між двома сусідніми станами супроводжується або випромінюванням, або поглинанням кванта з певною енергією. Випускання та поглинання світла атомами відбувається саме завдяки цьому.

Довжина хвилі, частота, енергія

Для повнішої картини необхідно розповісти трохи про фотони. Це елементарні частки, які не мають маси спокою. Вони існують тільки поки рухаються крізь середу. Але масою все-таки мають: вдаряючись об поверхню, вони передають їй імпульс, що було б неможливо без маси. Просто свою масу вони перетворюють на енергію, роблячи речовину, про яку вони ударяються і якою вони поглинаються, трохи тепліше. Теорія Бора пояснює цей факт. Властивості фотона та особливості його поведінки визначає квантова фізика. Отже, фотон – одночасно і хвиля, і частка з масою. Фотон, і як хвиля, має наступні характеристики: довжиною (λ), частотою (ν), енергією (Е). Чим більша довжина хвилі, тим нижча частота, і тим нижча енергія.

Спектр атома

Атомний спектр формується у кілька етапів.

1. Електрон в атомі переходить з орбіталі 2 (з вищою енергією) на орбіталь 1 (з меншою енергією).
2. Вивільняється деяка кількість енергії, яка формується як квант світла (hν).
3. випромінюється в навколишній простір.

Таким чином і виходить лінійний спектр атома. Чому він називається саме так, пояснює його форма: коли спеціальні пристрої «ловлять» вихідні фотони світла, на приладі, що реєструє, фіксується ряд ліній. Щоб розділити фотони різної довжини хвилі, використовується явище дифракції: хвилі з різною частотою мають різний показник заломлення, отже, одні відхиляються сильніше, ніж інші.

та спектри

Речовини є унікальним для кожного виду атомів. Тобто водень при випромінюванні дасть один набір ліній, а золото – інший. Цей факт є основою для застосування спектрометрії. Отримавши спектр чого завгодно, можна зрозуміти, з чого складається речовина, як у ньому розташовуються атоми щодо один одного. Цей метод дозволяє визначити різні властивості матеріалів, що часто використовує хімія і фізика. Поглинання та випромінювання світла атомами - один із найпоширеніших інструментів для вивчення навколишнього світу.

Недоліки методу спектрів випромінювання

До цього моменту йшлося швидше про те, як атоми випромінюють. Але зазвичай всі електрони знаходяться на своїх орбіталях у стані рівноваги, у них немає причин переходити до інших станів. Щоб речовина щось випромінювала, вона спочатку має поглинути енергію. У цьому недолік методу, який експлуатує поглинання та випромінювання світла атомом. Коротко скажемо, що речовину спочатку потрібно нагріти або висвітлити, перш ніж отримаємо спектр. Запитань не виникне, якщо вчений вивчає зірки, вони і так світяться завдяки власним внутрішнім процесам. Але якщо потрібно вивчити шматочок руди або харчовий продукт, то для отримання спектра його треба спалити. Цей спосіб підходить не завжди.

Спектри поглинання

Випромінювання та поглинання світла атомами як метод «працює» у дві сторони. Можна посвітити на речовину широкосмуговим світлом (тобто таким, у якому присутні фотони різних довжин хвиль), а потім подивитися, хвилі яких довжин поглинулися. Але підходить цей спосіб не завжди: обов'язково, щоб речовина була прозорою для потрібної частини електромагнітної шкали.

Якісний та кількісний аналіз

Стало ясно: спектри є унікальними для кожної речовини. Читач міг укласти: такий аналіз використовується лише для того, щоб визначити, з чого зроблено матеріал. Однак можливості спектрів набагато ширші. За допомогою спеціальних методик розгляду і розпізнавання ширини і інтенсивності ліній можна встановити кількість входять у з'єднання атомів. Причому цей показник можна виражати в різних одиницях:

• у відсотках (наприклад, у цьому сплаві міститься 1% алюмінію);
• в молях (у цій рідині розчинено 3 молячи кухонної солі);
• в грамах (в даному зразку присутні 0,2 г урану та 0,4 грама торію).

Іноді аналіз буває змішаним: якісним та кількісним одночасно. Але якщо раніше фізики заучували напам'ять положення ліній та оцінювали їх відтінок за допомогою спеціальних таблиць, то зараз все це роблять програми.

Застосування спектрів

Ми вже досить докладно розібрали, що таке випромінювання та поглинання світла атомами. Спектральний аналіз застосовується дуже широко. Немає жодної області людської діяльності, де б не використовувалося аналізоване нами явище. Ось деякі з них:

1. На початку статті ми говорили про смартфони. Кремнієві напівпровідникові елементи стали такими маленькими, в тому числі завдяки дослідженням кристалів за допомогою спектрального аналізу.
2. За будь-яких подій саме унікальність електронної оболонкикожного атома дозволяє визначити, яку кулю випустили першою, чому зламався каркас машини або впав баштовий кран, а також якою отрутою отруїлася людина, і скільки часу вона пробула у воді.
3. Медицина використовується спектральний аналіз у своїх цілях найчастіше стосовно рідин тіла, але буває, що цей метод застосовується і до тканин.
4. Далекі галактики, хмари космічного газу, планети у чужих зірок – все це вивчають за допомогою світла та його розкладання у спектри. Вчені дізнаються про склад цих об'єктів, їх швидкість і процеси, які в них відбуваються завдяки тому, що можуть зафіксувати та проаналізувати фотони, які вони випускають або поглинають.

Електромагнітна шкала

Найбільше ми приділяємо увагу видимому світлу. Але на електромагнітній шкалі цей відрізок дуже короткий. Те, що людське око не фіксує, набагато ширше за сім кольорів веселки. Випускатися і поглинатися можуть лише видимі фотони (λ=380-780 нанометрів), а й інші кванти. Електромагнітна шкала включає:

1. Радіохвилі(λ = 100 кілометрів) передають інформацію на далекі відстані. Через дуже велику довжину хвилі їх енергія дуже низька. Вони дуже легко поглинаються.
2. Терагерцеві хвилі(λ = 1-0,1 мм) донедавна були важкодоступні. Раніше їх діапазон включали радіохвилі, але зараз цей відрізок електромагнітної шкали виділяється в окремий клас.
3. Інфрачервоні хвилі (λ = 0,74-2000 мікрометрів) переносять тепло. Багаття, лампа, Сонце випромінюють їх у надлишку.

Світло ми розглянули, тому докладніше про нього писати не будемо.

Ультрафіолетові хвилі(λ = 10-400 нанометрів) смертельні для людини в надлишку, але і їх недолік викликає центральна зірка дає дуже багато ультрафіолету, а атмосфера Землі затримує більшу його частину.

Рентгенівські та гамма-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.

Електромагнітні хвилі всіх діапазонів, а саме їх здатність випромінюватись і поглинатися атомами, застосовуються в людській діяльності. Незалежно від того, що читач обрав (або тільки збирається обрати) як свій життєвий шлях, він точно зіткнеться з результатами спектральних досліджень. Продавець користується сучасним платіжним терміналом лише тому, що колись учений досліджував властивості речовин та створив мікрочіп. Аграрій удобрює поля та збирає зараз великі врожаї лише тому, що колись геолог виявив фосфор у шматку руди. Дівчина носить яскраве вбрання лише завдяки винаходу стійких хімічних барвників.

Але якщо читач бажає пов'язати своє життя зі світом науки, то доведеться вивчити набагато більше, ніж основні поняття процесу випромінювання та поглинання квантів світла в атомах.

Спектр- розподіл енергії, що випромінюється або поглинається речовиною, за частотами або довжинами хвиль.

Якщо на шляху пучка сонячного світла, що проникає через довгу вузьку прямокутну щілину, помістити призму, то на екрані ми побачимо не зображення щілини, а розтягнуту кольорову смужку з поступовим переходом кольорів від червоного до фіолетового - спектр. Це явище спостерігав ще Ньютон. Це означає, що до складу сонячного світла входять електромагнітні хвилі різних частот. Такий спектр називається суцільним.

Якщо пропустити через призму світло, яке випромінюється нагрітим газом, то спектр матиме вигляд окремих кольорових ліній на чорному тлі. Такий спектр називається лінійним спектром випромінювання. Це означає, що нагрітий газ випромінює електромагнітні хвилі з певним набором частот. При цьому кожен хімічний елементВипускає характерний спектр, відмінний від спектрів інших елементів.

Якщо світло проходить через газ, то з'являються темні лінії. лінійний спектр поглинання.

Спектральний аналіз- метод визначення якісного та кількісного складу речовини, заснований на отриманні та дослідженні його спектрів.

Закономірності випромінювання атомів

Випромінювання світла відбувається при переході електрона в атомі з вищого енергетичного рівня E k один із нижчих енергетичних рівнів E n (k > n). Атом у цьому випадку випромінює фотон із енергією

Поглинання світла – процес зворотний. Атом поглинає фотон, переходить з нижчого стану k більш n (n > k). Атом у цьому випадку поглинає фотон із енергією

Сукупність частот електромагнітних хвиль, які присутні у випромінюванні будь-якого тіла, називається спектром випромінювання.

Спектри бувають суцільні, лінійчастіі смугасті.

Суцільні спектридають усі речовини, що знаходяться у твердому або рідкому стані. Суцільний спектр містить хвилі всіх частот видимого світла і тому виглядає як кольорова смуга з плавним переходом від одного кольору до іншого в такому порядку: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий («Кожен мисливець бажає знати, де сидить фазан») ).

Лінійчасті спектридають усі речовини в газоподібному атомарному стані. Ізольовані атоми всіх речовин випромінюють властиві лише їм набори хвиль цілком певних частот. Як у кожної людини свої особисті відбитки пальців, так і в атома даної речовини свій характерний тільки для нього спектр. Лінійчасті спектри випромінювання виглядають як кольорові лінії розділені проміжками. Природа лінійчастих спектрів пояснюється тим, що в атомів конкретної речовини існують тільки йому властиві стаціонарні стани зі своєю характерною енергією, а отже, і свій набір пар енергетичних рівнів, які може змінювати атом, тобто електрон в атомі може переходити лише з певних орбіт інші, цілком певні орбіти для даного хімічного речовини.

Смугасті спектристворюються молекулами не пов'язаними або слабко пов'язаними другз другом. Виглядають смугасті спектри подібно до лінійних, тільки замість окремих ліній спостерігаються окремі серії ліній, що сприймаються як окремі смуги, розділені темними проміжками.

Характерним і те, що спектр випромінюється даними атомами, такий і поглинається, тобто. спектри випромінювання по набору частот, що випромінюються, збігаються зі спектрами поглинання. Оскільки атомам різних речовин відповідають властиві лише їм спектри, існує спосіб визначення хімічного складу речовини методом вивчення його спектрів. Цей спосіб називається спектральним аналізом. Спектральний аналіз застосовується визначення хімічного складу копалин руд при видобутку корисних копалин, визначення хімічного складу атмосфер планет; є основним методом контролю складу речовини у металургії та машинобудуванні.

Розглянемо атом водню.

Відповідно до теорії Бора, під час руху електрона найближчою до ядра стаціонарної орбіті атом перебуває у основному стані, є найбільш стійким. В здебільшогостан атом може бути необмежено довгий час, оскільки цей стан відповідає найменшому можливому значенню енергії атома.

Коли електрон рухається по будь-якій іншій із дозволених орбіт, стан атома називається збудженимі менш стійким, ніж основний стан. Через невеликий проміжок часу (порядку 10 -8 с) атом мимовільно переходить із збудженого стану в основний, випромінюючи при цьому квант енергії (рис. 20.4):

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

Так як у збудженому стані енергія атома більша, ніж в основному, то довільно атом у збуджений стан перейти не може. Способи збудження атомів речовини можуть бути різними: удар про атом якоїсь частинки, хімічні реакції, вплив світла тощо. Але вони виявляються ефективними для збудження лише тоді, коли постачають енергію квантами, які можуть порушити дані атоми. Якщо ця енергія недостатня для перекидання атома з нижчого енергетичного рівня більш високий, то атом таку енергію прийме і навіть зросте, наприклад, енергія його теплового хаотичного руху, але збуджений стан атом не перейде.

Енергія фотона, що поглинається атомом при переході з одного стану в інший, точно дорівнює різниці енергій атома в цих двох станах (мал. 20.7):

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

Іншими словами, він поглинає світло лише такої частоти, яку сам може випромінювати (закон поглинання та випромінювання світла, отриманий експериментально Г. Кірхгофом). Виняток становить випадок, коли зовнішнє вплив може повідомляти атому енергію більше тієї, яка необхідна його іонізації. У цьому частина енергії зовнішнього впливу витрачається іонізацію атома, а надлишок енергії передається вирваному електрону як його кінетичної енергії. Остання може мати довільну величину.

Отже, можна зробити такі висновки.

1. Вільний атом поглинає та випромінює енергію тільки цілими квантами.

2. При переході у збуджений стан атом поглинає лише такі кванти, які може сам випускати.

Література

Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти/Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – С. 580-581.