Emisia și absorbția luminii de către atomi. Originea spectrului de linie

Acest articol prezintă conceptele de bază necesare pentru a înțelege modul în care atomii emit și absorb lumina. De asemenea, este descrisă aplicarea acestor fenomene.

Smartphone și fizică

Un om care sa născut după 1990, viața lui fără o varietate de dispozitive electronice nu-și poate imagina. Telefonul smartphone nu numai că înlocuiește telefonul, ci vă permite să monitorizați ratele de schimb valutar, să efectuați tranzacții, să apelați un taxi și chiar să răspundeți astronauților de la bordul ISS prin intermediul aplicațiilor lor. În consecință, toți asistenții digitali sunt percepuți ca o chestiune desigur. Emisia și absorbția luminii de către atomi, datorită căreia epoca reducerii tuturor tipurilor de dispozitive a devenit posibilă, le va părea doar un subiect plictisitor în lecțiile de fizică. Dar în această secțiune de fizică o mulțime de interesant și fascinant.

Condiții teoretice pentru descoperirea spectrelor

Există o zicală: "Curiozitatea nu duce la bine". Dar această expresie este mult mai probabil să se refere la faptul că este mai bine să nu se interfereze cu relațiile altor persoane. Dacă arătați curiozitate lumii din jurul vostru, nimic nu va fi în neregulă. La sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii au devenit clar natura magnetismului (este bine descris în sistemul ecuațiilor lui Maxwell). Următoarea întrebare pe care oamenii de știință doreau să o rezolve era structura materiei. Trebuie să clarificăm imediat: pentru știință, nu este emisia și absorbția luminii de către atomi care sunt valoroși. Spectrele determinate sunt o consecință a acestui fenomen și o bază pentru studierea structurii substanțelor.

Structura atomului

Oamenii de știință au sugerat în Grecia antică că marmura constă din niște bucăți indivizibile, "atomi". Și până la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii au crezut că acestea sunt cele mai mici particule ale materiei. Dar experiența lui Rutherford în împrăștierea particulelor grele pe folia de aur a arătat: atomul are și o structură internă. Nucleul greu este în centru și încărcat pozitiv, electronii negativi lumina se rotesc în jurul acestuia.

Paradoxele unui atom în cadrul teoriei Maxwell

Aceste descoperiri au dat naștere la mai multe paradoxuri: în funcție de ecuațiile lui Maxwell, orice particulă încărcată în mișcare emite un câmp electromagnetic, prin urmare, pierde energie. De ce, deci, electronii nu cad pe nucleu, dar continuă să se rotească? De asemenea, nu se știe de ce fiecare atom absoarbe sau emite fotoni de numai o anumită lungime de undă. Teoria lui Bohr a făcut posibilă eliminarea acestor discrepanțe prin introducerea orbitalilor. Potrivit postulatelor acestei teorii, electronii pot fi în jurul nucleului numai pe aceste orbite. Tranziția dintre două state vecine este însoțită fie de emisia, fie de absorbția unui cuant cu o anumită energie. Emisia și absorbția luminii de către atomi se datorează acestui fapt.

Lungimea de undă, frecvența, energia

Pentru o imagine mai completă este necesar să spunem ceva despre fotoni. Acestea sunt particule elementare, care nu au masa de odihnă. Ele există doar în timp ce se deplasează prin mediul înconjurător. Dar masa încă posedă: lovind suprafața, îi dau un impuls, ceea ce ar fi fost imposibil fără masa. Ei își transformă masa în energie, făcând substanța pe care o lovesc și pe care o absoarbă, puțin mai caldă. Teoria lui Bohr nu explică acest fapt. Proprietățile unui foton și caracteristicile comportamentului său sunt descrise de fizica cuantică. Deci, un foton este atât un val cât și o particulă cu masă. Un foton și un val are următoarele caracteristici: lungimea (lambda), frecvența (nu-), energia (E). Cu cât lungimea de undă este mai lungă, cu atât frecvența este mai mică și cu atât energia este mai mică.

Spectrul atomului

Spectrul atomic se formează în mai multe etape.

1. Electronul din atom trece de la orbitalul 2 (cu o energie mai mare) la orbitalul 1 (cu o energie mai mică).
2. Se eliberează o anumită cantitate de energie, care se formează ca un cuantic de lumină (hnu-).
3. Acest cuantum este emisă în spațiul din jur.

Acesta este modul în care se obține spectrul de linie al atomului. De ce se numește în acest fel, explică forma sa: când dispozitive speciale "captează" fotonii de lumină de ieșire, un număr de linii sunt fixate pe dispozitivul de înregistrare. Pentru separarea fotonilor cu diferite lungimi de undă, se folosește fenomenul de difracție: undele cu frecvențe diferite au un indice de refracție diferit, prin urmare, unele se abat mai puternic decât altele.

Proprietățile substanțelor și spectrele

Spectrul de linie al substanței este unic pentru fiecare tip de atomi. Adică, hidrogenul emite un set de linii, iar aurul - celălalt. Acest fapt este baza pentru aplicarea spectrometriei. După ce ați primit un spectru de orice, puteți înțelege de ce constă substanța, cum sunt aranjamentele atomilor în relație unul cu celălalt. Această metodă vă permite să determinați și diferitele proprietăți ale materialelor, care folosesc frecvent chimie și fizică. Absorbția și emisia de lumină de către atomi reprezintă unul dintre cele mai comune instrumente pentru studierea lumii înconjurătoare.

Dezavantaje ale metodei spectrelor de emisie

Până în acest moment, sa spus mai multe despre modul în care atomii radiază. Dar, de obicei, toți electronii sunt în orbitalii lor într-o stare de echilibru, nu au nici un motiv să treacă la alte state. Pentru ca o substanță să emită ceva, trebuie să absoarbă mai întâi energia. Acesta este dezavantajul metodei care exploatează absorbția și emisia de lumină de către un atom. Scrieți scurt că substanța trebuie mai întâi să fie încălzită sau aprinsă înainte de a obține spectrul. Întrebările nu vor apărea dacă omul de știință studiază stelele, ele strălucesc deja datorită propriilor procese interne. Dar dacă aveți nevoie să studiați o bucată de minereu sau de mâncare, atunci pentru a obține spectrul trebuie să fie ars. Această metodă nu este întotdeauna potrivită.

Spectre de absorbție

Radiația și absorbția luminii de către atomi ca metodă "funcționează" în două direcții. Puteți străluci o lumină de bandă largă substanță (de exemplu, una în care există fotoni de diferite lungimi de undă), și apoi să vedem ce absorb lungimi de undă. Dar această metodă nu funcționează întotdeauna: este imperativ ca substanța să fie transparentă pentru partea dorită a scalei electromagnetice.

Analiza calitativă și cantitativă

A devenit clar: spectrele sunt unice pentru fiecare substanță. Cititorul putea concluziona că o astfel de analiză este utilizată doar pentru a determina de ce este făcut materialul. Cu toate acestea, spectrele sunt mult mai largi. numărul de atomi în compusul poate fi setat folosind tehnici speciale de examinare lățime și recunoașterea și intensitatea liniilor rezultate. Și acest indicator poate fi exprimat în diferite unități:

• în procente (de exemplu, în acest aliaj conține 1% aluminiu);
• în mol (3 moli de sare comună sunt dizolvate în acest lichid);
• în grame (în această probă există 0,2 g uraniu și 0,4 grame de toriu).

Uneori, analiza este amestecată: calitativă și cantitativă în același timp. Dar, dacă fizicienii mai devreme au memorat poziția liniilor pe inimă și și-au evaluat culoarea folosind tabele speciale, acum toate aceste programe se desfășoară.

Aplicarea spectrelor

Am analizat deja în profunzime ce este emisia și absorbția luminii de către atomi. Analiza spectrală este utilizată foarte larg. Nu există o singură zonă a activității umane oriunde este folosit fenomenul pe care îl analizăm. Iată câteva dintre ele:

1. La începutul articolului, am vorbit despre smartphone-uri. Elementele semiconductoare din siliciu au devenit atât de mici, inclusiv prin studiul cristalelor utilizând analiza spectrală.
2. În cazul în care orice incident este unicitatea învelișul de electroni al fiecărui atom determină ce fel de glonț tras în primul rând, de ce masina sa stricat cadru sau macara turn, precum și otravă otrăvit oameni și cât de mult timp a petrecut în apă.
3. Medicina utilizează analizele spectrale pentru propriile scopuri cel mai adesea în ceea ce privește fluidele corporale, dar se întâmplă ca această metodă să fie aplicată și țesuturilor.
4. Farurile galaxiei, norii de gaz cosmic, planetele în stele ale altor oameni - toate acestea sunt studiate cu ajutorul luminii și descompunerii sale în spectre. Oamenii de știință recunosc compoziția acestor obiecte, viteza lor și procesele care au loc în ele deoarece pot fixa și analiza fotonii pe care îi emit sau absorg.

Scala electromagnetică

Mai presus de toate, acordăm atenție luminii vizibile. Dar pe scara electromagnetică acest segment este foarte mic. Ceea ce ochiul uman nu stabilește este mult mai lat decât cele șapte culori ale curcubeului. Nu numai fotonii vizibili pot fi emisi și absorbiți (lambda = 380-780 nanometri), dar și alte quanta. Scara electromagnetică include:

1. Undele radio (lambda- = 100 km) transmit informații pe distanțe lungi. Datorită lungimii de undă foarte lungi, energia lor este foarte scăzută. Ele sunt foarte ușor absorbite.
2. Undele Terahertz (lambda- = 1-0,1 milimetri) până în prezent au fost dificil de accesat. Anterior, gama lor a fost inclusă în unde radio, dar acum acest segment al scalei electromagnetice este alocat unei clase separate.
3. Valorile infraroșii (lambda = = 0.74-2000 micrometri) transferă căldura. Un foc de foc, o lampă, soarele le emit din abundență.

Luminile vizibile pe care le-am examinat, astfel încât nu vom mai scrie despre ele.

Valuri ultraviolete (lambda = 10-400 nanometri) sunt letale pentru oameni în exces, dar deficiența lor provoacă procese ireversibile. Steaua noastră centrală dă o mulțime de radiații ultraviolete, iar atmosfera Pământului suportă cea mai mare parte a acesteia.

Raze X și quanta gamma (lambda- < 10 nanometri) au o gamă comună, dar diferă de origine. Pentru a le obține, trebuie să accelerați electronii sau atomii la viteze foarte mari. Laboratoarele oamenilor sunt capabile de acest lucru, dar în natură asemenea energii se găsesc numai în interiorul stelelor sau în coliziuni ale obiectelor masive. Un exemplu al ultimului proces poate fi exploziile supernovelor, absorbția stelelor de către o gaură neagră, întâlnirea a două galaxii sau o galaxie și un nor masiv de gaze.

Undele electromagnetice de toate domeniile, și anume capacitatea lor de a fi emise și absorbite de atomi, sunt folosite în activitatea umană. Indiferent de ceea ce cititorul a ales (sau va alege doar) ca calea sa de viață, el va întâlni cu siguranță rezultatele studiilor spectrale. Vânzătorul folosește un terminal modern de plată numai pentru că omul de știință a cercetat proprietățile substanțelor și a creat un microcip. Fertilizarea agrară câmpuri și colectează randamente mari acum numai pentru că o dată geolog a descoperit fosfor într-o bucată de minereu. Fata poartă poezii strălucitoare numai datorită inventării coloranților chimici persistenți.

Dar dacă cititorul dorește să-și conecteze viața cu lumea științei, atunci este necesar să studiem mult mai mult decât conceptele de bază ale procesului de radiație și absorbție a quantului de lumină în atomi.