Viivaspektrit - tämä on ehkä yksi tärkeimmistä aiheista, joita käsitellään 8. luokan fysiikan kurssilla optiikka-osiossa. Se on tärkeä, koska sen avulla voimme ymmärtää atomin rakenteen sekä käyttää tätä tietoa universumimme tutkimiseen. Pohditaan tätä asiaa artikkelissa.
Sähkömagneettisen spektrin käsite
Selvitetään ensin, mistä artikkelissa on kyse. Kaikki tietävät, että näkemämme auringonvalo on sähkömagneettisia a altoja. Jokaiselle aallolle on tunnusomaista kaksi tärkeää parametria - sen pituus ja taajuus (sen kolmas, yhtä tärkeä ominaisuus on amplitudi, joka heijastaa säteilyn intensiteettiä).
Sähkömagneettisen säteilyn tapauksessa molemmat parametrit liittyvät toisiinsa seuraavassa yhtälössä: λν=c, jossa kreikkalaiset kirjaimet λ (lambda) ja ν (nu) tarkoittavat yleensä aallonpituutta ja sen taajuutta, vastaavasti, ja c on valon nopeus. Koska jälkimmäinen on tyhjiön vakioarvo, sähkömagneettisten a altojen pituus ja taajuus ovat kääntäen verrannollisia toisiinsa.
Fysiikan sähkömagneettinen spektri hyväksytäännimeä joukko erilaisia aallonpituuksia (taajuuksia), jotka vastaava säteilylähde lähettää. Jos aine absorboi, mutta ei lähetä a altoja, puhutaan adsorptio- tai absorptiospektristä.
Mitä ovat sähkömagneettiset spektrit?
Yleensä niiden luokittelussa on kaksi kriteeriä:
- Säteilytaajuuden mukaan.
- Taajuusjakaumamenetelmän mukaan.
Emme käsittele tässä artikkelissa 1. luokittelutyyppiä. Tässä sanomme vain lyhyesti, että on olemassa korkeataajuisia sähkömagneettisia a altoja, joita kutsutaan gammasäteilyksi (>1020 Hz) ja röntgensäteilyksi (1018 -10 19 Hz). Ultraviolettispektri on jo alemmilla taajuuksilla (1015-1017 Hz). Näkyvä tai optinen spektri on taajuusalueella 1014 Hz, mikä vastaa pituuksien joukkoa 400 µm - 700 µm (jotkut ihmiset näkevät hieman "leveämmin"): 380 µm - 780 µm). Alemmat taajuudet vastaavat infrapuna- tai lämpöspektriä sekä radioa altoja, jotka voivat olla jo useita kilometrejä pitkiä.
Myöhemmin artikkelissa tarkastellaan lähemmin 2. luokittelutyyppiä, joka on mainittu yllä olevassa luettelossa.
Juova- ja jatkuvat emissiospektrit
Ehdottomasti mikä tahansa aine kuumennettaessa lähettää sähkömagneettisia a altoja. Mitä taajuuksia ja aallonpituuksia ne ovat? Vastaus tähän kysymykseen riippuu tutkittavan aineen aggregaatiotilasta.
Neste ja kiinteät aineet emittoivat pääsääntöisesti jatkuvaa taajuutta, eli niiden välinen ero on niin pieni, että voidaan puhua jatkuvasta säteilyspektristä. Jos atomikaasua, jolla on alhainen paine, puolestaan kuumennetaan, se alkaa "hehkua" lähettäen tiukasti määriteltyjä aallonpituuksia. Jos jälkimmäiset kehitetään valokuvafilmille, ne ovat kapeita viivoja, joista jokainen vastaa tietystä taajuudesta (aallonpituudesta). Siksi tämän tyyppistä säteilyä kutsuttiin viivaemissiospektriksi.
Viivan ja jatkuvan välissä on välityyppinen spektri, joka yleensä emittoi molekyylikaasua atomikaasun sijaan. Tämä tyyppi on eristetty nauha, joista jokainen koostuu yksityiskohtaisesti tarkasteltuna erillisistä kapeista viivoista.
Viivan absorptiospektri
Kaikki edellisessä kappaleessa sanottu viittasi aineen a altojen säteilyyn. Mutta sillä on myös imukyky. Suoritetaan tavallinen koe: otetaan kylmäpurkaistu atomikaasu (esimerkiksi argon tai neon) ja annetaan hehkulampun valkoisen valon kulkea sen läpi. Sen jälkeen analysoimme kaasun läpi kulkevan valovirran. Osoittautuu, että jos tämä vuo hajotetaan yksittäisiksi taajuuksiksi (tämä voidaan tehdä prismalla), havaittuun jatkuvaan spektriin ilmestyy mustia juovia, jotka osoittavat, että kaasu absorboi nämä taajuudet. Tässä tapauksessa puhutaan viiva-absorptiospektristä.
XIX vuosisadan puolivälissä. Saksalainen tiedemies nimeltä GustavKirchhoff löysi erittäin mielenkiintoisen ominaisuuden: hän huomasi, että paikat, joissa mustat viivat näkyvät jatkuvassa spektrissä, vastaavat täsmälleen tietyn aineen säteilyn taajuuksia. Tällä hetkellä tätä ominaisuutta kutsutaan Kirchhoffin laiksi.
Balmer, Liman ja Pashen -sarjat
1800-luvun lopusta lähtien fyysikot ympäri maailmaa ovat yrittäneet ymmärtää, mitkä ovat säteilyn viivaspektrit. Havaittiin, että tietyn kemiallisen alkuaineen jokaisella atomilla on kaikissa olosuhteissa sama emissiokyky, eli se lähettää vain tietyn taajuuden sähkömagneettisia a altoja.
Sveitsiläinen fyysikko Balmer teki ensimmäiset yksityiskohtaiset tutkimukset tästä aiheesta. Kokeissaan hän käytti korkeisiin lämpötiloihin kuumennettua vetykaasua. Koska vetyatomi on yksinkertaisin tunnetuista kemiallisista alkuaineista, on helpointa tutkia sen säteilyspektrin ominaisuuksia. Balmer sai hämmästyttävän tuloksen, jonka hän kirjoitti seuraavaksi kaavaksi:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Tässä λ on emittoidun aallon pituus, RH - jokin vakioarvo, joka vedylle on yhtä suuri kuin 1, 097107 m -1, n on kokonaisluku, joka alkaa 3:sta, eli 3, 4, 5 jne.
Kaikki pituudet λ, jotka on saatu tästä kaavasta, ovat ihmisille näkyvän optisen spektrin sisällä. Tätä vedyn λ-arvojen sarjaa kutsutaan spektriksiBalmer.
Myöhemmin amerikkalainen tiedemies Theodore Liman löysi asianmukaisia laitteita käyttäen ultraviolettivetyspektrin, jonka hän kuvasi kaavalla, joka on samanlainen kuin Balmerin:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Lopuksi toinen saksalainen fyysikko Friedrich Paschen sai kaavan vedyn emissioille infrapuna-alueella:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Kuitenkin vain kvanttimekaniikan kehitys 1920-luvulla saattoi selittää nämä kaavat.
Rutherford, Bohr ja atomimalli
1900-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä Ernest Rutherford (uusiseelantilaista alkuperää oleva brittiläinen fyysikko) suoritti monia kokeita tutkiakseen eri kemiallisten alkuaineiden radioaktiivisuutta. Näiden tutkimusten ansiosta syntyi ensimmäinen atomin malli. Rutherford uskoi, että tämä aineen "jyvä" koostuu sähköisesti positiivisesta ytimestä ja negatiivisista elektroneista, jotka pyörivät sen kiertoradalla. Coulombin voimat selittävät, miksi atomi "ei hajoa", ja elektroneihin vaikuttavat keskipakovoimat ovat syynä siihen, miksi viimeksi mainitut eivät putoa ytimeen.
Kaikki näyttää olevan loogista tässä mallissa, paitsi yhtä mutta. Tosiasia on, että kun liikkuu kaarevaa liikerataa pitkin, minkä tahansa varautuneen hiukkasen täytyy säteillä sähkömagneettisia a altoja. Mutta stabiilin atomin tapauksessa tätä vaikutusta ei havaita. Sitten käy ilmi, että itse malli on väärä?
Tarvittavat muutokset tehtiin siihentoinen fyysikko on tanskalainen Niels Bohr. Nämä tarkistukset tunnetaan nyt hänen postulaatteinaan. Bohr lisäsi Rutherfordin malliin kaksi ehdotusta:
- elektronit liikkuvat paikallaan olevilla kiertoradoilla atomissa, vaikka ne eivät emittoi tai absorboi fotoneja;
- säteilyprosessi (absorptio) tapahtuu vain, kun elektroni siirtyy kiertorad alta toiselle.
Mitä ovat paikallaan olevat Bohrin kiertoradat, tarkastelemme seuraavassa kappaleessa.
Energiatasojen kvantisointi
Elektronin paikallaan olevat kiertoradat atomissa, joista Bohr ensin puhui, ovat tämän hiukkasaallon stabiileja kvanttitiloja. Näille tiloille on ominaista tietty energia. Jälkimmäinen tarkoittaa, että atomissa oleva elektroni on jossain energiassa "hyvin". Hän voi päästä toiseen "kuoppaan", jos hän saa lisäenergiaa ulkopuolelta fotonin muodossa.
Vedyn viivaabsorptio- ja emissiospektreissä, joiden kaavat on annettu yllä, näet, että ensimmäinen termi suluissa on muotoa 1/m2, missä m=1, 2, 3.. on kokonaisluku. Se heijastaa sen paikallaan olevan kiertoradan numeroa, jolle elektroni siirtyy korkeamm alta energiatasolta n.
Miten he tutkivat spektrejä näkyvällä alueella?
Edellä on jo sanottu, että tähän käytetään lasiprismoja. Tämän teki ensimmäisenä Isaac Newton vuonna 1666, kun hän hajotti näkyvän valon sateenkaaren väreiksi. SyyTämä vaikutus havaitaan on taitekertoimen riippuvuudessa aallonpituudesta. Esimerkiksi sininen valo (lyhyet aallot) taittuu voimakkaammin kuin punainen valo (pitkät aallot).
Huomaa, että yleensä, kun sähkömagneettisten a altojen säde liikkuu missä tahansa materiaalisessa väliaineessa, tämän säteen korkeataajuiset komponentit taittuvat ja siroavat aina voimakkaammin kuin matalataajuiset. Hyvä esimerkki on taivaan sininen väri.
Linssin optiikka ja näkyvä spektri
Linssejä käytettäessä käytetään usein auringonvaloa. Koska kyseessä on jatkuva spektri, sen taajuudet taittuvat eri tavalla linssin läpi kulkiessaan. Tämän seurauksena optinen laite ei pysty keräämään kaikkea valoa yhdessä pisteessä, ja näkyviin tulee värikkäitä sävyjä. Tämä vaikutus tunnetaan kromaattisena aberraationa.
Osoitettu linssioptiikan ongelma on osittain ratkaistu käyttämällä optisten lasien yhdistelmää sopivissa instrumenteissa (mikroskoopit, teleskoopit).
