Емисии и абсорбиране на светлина от атомите. Произход на спектъра на линията

Тази статия представя основните понятия, необходими за разбирането как атомите излъчват и поглъщат светлина. Също така е описано приложението на тези явления.

Смартфон и физика

Човек, роден след 1990 г., животът му без разнообразие от електронни устройства не може да си представи. Смартфонът не само замества телефона, но и го прави възможно да се наблюдава валутните курсове, за да преговарям, да се обадя на такси и дори съвпада с астронавтите на борда на МКС, чрез прилагането им. Съответно и всички тези дигитални помощници се възприемат като въпрос на разбира се. Емисията и абсорбцията на светлината от атоми, благодарение на която ерата на намаляването на всички видове устройства станала възможна, ще изглежда на такива читатели само една скучна тема в уроците по физика. Но в тази част на физиката много интересно и завладяващо.

Теоретични предпоставки за откриване на спектри

Има една поговорка: "Любопитството не води до добро". Но този израз е по-вероятно да се отнася до факта, че е по-добре да не се намесва в отношенията на други хора. Ако покажете любопитство към света около вас, нищо няма да се обърка. В края на деветнадесети век хората станаха ясни природата на магнетизма (това е добре описано в системата на уравненията на Максуел). Следващият въпрос, който учените искаха да разрешат, беше структурата на материята. Трябва да изясним незабавно: за науката не е излъчването и усвояването на светлината от атоми, които са ценни. Управляваните спектри са последица от това явление и основа за изследване на структурата на веществата.

Структурата на атома

Учените предполагат в древна Гърция, че мраморът се състои от някои неделими части, "атоми". И до края на деветнадесети век хората смятаха, че това са най-малките частици от материята. Но опитът на Ръдърфорд в разпръсването на тежки частици върху златно фолио показва: атомът също има вътрешна структура. Трудното ядро ​​е в центъра и се зарежда положително, светлините отрицателни електрони се въртят около него.

Парадоксите на един атом в рамките на теорията на Максуел

Тези данни оживяват няколко парадокса: според уравненията на Максуел всяка движеща се заредена частица излъчва електромагнитно поле, следователно губи енергия. Защо тогава електроните не попадат в ядрото, но продължават да се въртят? Не беше ясно и защо всеки атом абсорбира или излъчва фотони с определена дължина на вълната. Теорията на Бор е направила възможно премахването на тези несъответствия чрез въвеждане на орбити. Според постулатите на тази теория, електроните могат да бъдат около ядрото само на тези орбитали. Преходът между две съседни държави се съпровожда от излъчването или абсорбцията на квантовата енергия с определена енергия. Емисията и абсорбцията на светлината от атоми се дължи на това.

Дължина на вълната, честота, енергия

За по-пълна картина е необходимо да кажете малко за фотоните. Това са елементарни частици, които нямат маса за почивка. Те съществуват само докато преминават през околната среда. Но масата все още притежава: натискайки на повърхността, те й придават импулс, който би бил невъзможен без масата. Те просто превръщат масата си в енергия, правейки веществото, което удрят и което поглъщат, малко по-топло. Теорията на Бор не обяснява този факт. Свойствата на фотона и характеристиките на неговото поведение се описват от квантовата физика. Така че, фотонът е както вълна, така и частица с маса. Фотон и като вълна има следните характеристики: дължина (ламбда), честота (nu-), енергия (E). Колкото по-дълга е дължината на вълната, толкова по-ниска е честотата, толкова по-ниска е енергията.

Спектърът на атома

Атомният спектър се формира на няколко етапа.

1. Електронът в атома преминава от орбитал 2 (с по-висока енергия) към орбитал 1 (с по-ниска енергия).
2. Изпуска се известно количество енергия, което се формира като квантова светлина (hnu-).
3. Това квантово се излъчва в околното пространство.

Така се получава линейният спектър на атома. Защо се нарича така, обяснява неговата форма: когато специални устройства "хванат" изходящите фотони от светлината, редица линии са закрепени на записващото устройство. За разделянето на фотони с различна дължина на вълната се използва явлението дифракция: вълните с различни честоти имат различен индекс на пречупване, поради което някои се отклоняват по-силно от другите.

Свойства на веществата и спектри

Линия спектър на веществото е уникален за всеки тип атоми. Тоест, водородът излъчва един набор линии, а златото - другият. Този факт е основа за приложението на спектрометрията. След като получите спектър от всичко, можете да разберете какво се състои от веществото, как атомите са подредени един спрямо друг. Този метод ви позволява да определите и различните свойства на материалите, които често използват химията и физиката. Абсорбцията и излъчването на светлина от атомите е един от най-разпространените инструменти за изучаване на околния свят.

Недостатъци на метода на емисионните спектри

До този момент се казва повече за това как атомите излъчват. Но обикновено всички електрони са в орбитата си в състояние на равновесие, нямат причина да преминат към други държави. За да може дадено вещество да отдели нещо, първо трябва да поеме енергията. Това е недостатък на метода, който използва абсорбцията и излъчването на светлина от един атом. Накратко кажете, че веществото трябва първо да бъде нагрято или запалено, преди да получим радиочестотния спектър. Въпроси няма да възникнат, ако ученият изучава звездите, те вече блестят поради собствените си вътрешни процеси. Но ако трябва да изучите парче руда или храна, тогава за да получите спектъра, всъщност трябва да се изгори. Този метод не винаги е подходящ.

Абсорбционни спектри

Радиацията и усвояването на светлината от атомите като метод "работи" в две посоки. Можете да запалите веществото с широколентова светлина (т.е., в която има фонови с различни дължини на вълните) и след това да видите какви вълни се абсорбират. Но този метод не винаги действа: задължително 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 такъв анализ се използва само за определяне на произхода на материала. 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 определи броят на атомите, влизащи в съединението. И този показател може да бъде изразен в различни единици:

• в проценти (например, в тази сплав съдържа 1% алуминий);
• в молове (3 мола обща сол се разтварят в тази течност);
• в грамове (в тази проба има 0.2 g уран и 0.4 g торий).

Понякога анализът е смесен: качествен и количествен в същото време. Но ако по-ранните физици запомнят позицията на линиите по сърце и оценяват техния оттенък със специални таблици, сега всички тези програми се правят.

Прилагане на спектри

Вече сме анализирали подробно какви са емисиите и абсорбцията на светлината от атомите. Спектралният анализ се използва много широко. Няма място за човешка дейност, където се използва феномен, който обмисляме. Ето някои от тях:

1. В самото начало на статията говорихме за смартфоните. Силиконовите полупроводникови елементи са станали толкова малки, включително и чрез изследването на кристали, използващи спектрален анализ.
2. Ако всеки инцидент, това е уникалността на електронната обвивка на всеки атом определя какъв куршум уволнен първо, защо колата се развали рамка или кулокран, както и някои отрова отровен хора и колко време той прекарва във водата.
3. Медицината използва спектрален анализ за собствените си цели най-често по отношение на телесните течности, но се случва, че този метод се прилага и за тъканите.
4. Далечни галактики, облаци от космически газ, планети в звездите на други хора - всичко това се изследва с помощта на светлината и нейното разлагане в спектрите. Учените разпознават състава на тези обекти, тяхната скорост и процесите, които се случват в тях, защото те могат да определят и анализират фотоните, които излъчват или абсорбират.

Електромагнитен мащаб

Най-вече обръщаме внимание на видимата светлина. Но в електромагнитния мащаб този сегмент е много малък. Това, което човешкото око не определя, е много по-широко от седемте цвята на дъгата. Не само видимите фотони могат да бъдат излъчвани и абсорбирани (ламбда = 380-780 нанометра), но и други кванти. Електромагнитната скала включва:

1. Радио вълни (ламбда = 100 километра) предават информация на дълги разстояния. Поради много дългата дължина на вълната тяхната енергия е много ниска. Те се абсорбират много лесно.
2. Терахерц вълни (ламбда = 1-0.1 милиметра) доскоро бяха трудни за достъп. Преди това обхватът им е включен в радиовълните, но сега този сегмент от електромагнитната скала е разпределен в отделен клас.
3. Инфрачервените вълни (ламбда - = 0.74-2000 микрона) предават топлината. Огън, лампа, Слънцето ги излъчва в изобилие.

Видима светлина, която разгледахме, така че няма да пишем повече за него.

Ултравиолетови вълни (ламбда = 10-400 нанометра) са летални за хората в излишък, но техният дефицит причинява необратими процеси. Нашата централна звезда дава много ултравиолетово лъчение и атмосферата на Земята държи по-голямата част от нея.

Рентгенови и гама кванти (ламбда < 10 нанометра) имат общ обхват, но се различават по произход. За да ги получите, трябва да ускорите електроните или атомите до много високи скорости. Лабораториите на хората са способни на това, но в природата такива енергии се намират само вътре в звездите или в сблъсъци от масивни обекти. Пример за последния процес могат да бъдат експлозиите на супернова, абсорбцията на звезда от черна дупка, срещата на две галактики или галактика и масивен газов облак.

Електромагнитните вълни от всички диапазони, а именно способността им да се излъчват и абсорбират от атоми, се използват в човешката дейност. Независимо от това, което читателят е избрал (или ще избере само) като житейски път, той със сигурност ще се сблъска с резултатите от спектралните изследвания. Продавачът използва модерен платежен терминал само защото учените са проучили свойствата на веществата и са създали микрочип. Аграрното торене на полета и събирането на големи добиви сега само защото един геолог е открил фосфор в парче руда. Момичето носи светло облекло само благодарение на изобретението на устойчиви химически бои.

Но ако читателят желае да свърже живота си със света на науката, тогава е необходимо да изучаваме много повече от основните понятия на процеса на радиация и абсорбцията на квантите на светлината в атомите.