Linijų spektrai – tai turbūt viena iš svarbiausių temų, kuri nagrinėjama 8 klasės fizikos kurse optikos skyriuje. Tai svarbu, nes leidžia suprasti atominę struktūrą, taip pat panaudoti šias žinias mūsų Visatos tyrinėjimams. Panagrinėkime šį klausimą straipsnyje.
Elektromagnetinio spektro samprata
Pirmiausia paaiškinkime, apie ką bus straipsnis. Visi žino, kad saulės šviesa, kurią matome, yra elektromagnetinės bangos. Bet kuri banga pasižymi dviem svarbiais parametrais – jos ilgiu ir dažniu (trečia, ne mažiau svarbi jos savybė yra amplitudė, kuri atspindi spinduliavimo intensyvumą).
Elektromagnetinės spinduliuotės atveju abu parametrai yra susiję su šia lygtimi: λν=c, kur graikiškos raidės λ (lambda) ir ν (nu) paprastai žymi atitinkamai bangos ilgį ir jos dažnį, ir c yra šviesos greitis. Kadangi pastaroji yra pastovi vakuumo reikšmė, elektromagnetinių bangų ilgis ir dažnis yra atvirkščiai proporcingi vienas kitam.
Fizikoje priimtinas elektromagnetinis spektrasįvardykite skirtingų bangų ilgių (dažnių) aibę, kurią skleidžia atitinkamas spinduliuotės š altinis. Jei medžiaga sugeria, bet neskleidžia bangų, tada kalbama apie adsorbcijos arba sugerties spektrą.
Kas yra elektromagnetiniai spektrai?
Apskritai yra du jų klasifikavimo kriterijai:
- Pagal spinduliavimo dažnį.
- Pagal dažnio paskirstymo metodą.
Šiame straipsnyje nenagrinėsime 1-ojo tipo klasifikavimo. Čia tik trumpai pasakysime, kad yra aukšto dažnio elektromagnetinės bangos, kurios vadinamos gama spinduliuote (>1020 Hz) ir rentgeno spinduliais (1018 -10 19 Hz). Ultravioletinis spektras jau yra žemesnių dažnių (1015-1017 Hz). Matomas arba optinis spektras yra 1014 Hz dažnių diapazone, kuris atitinka ilgių rinkinį nuo 400 µm iki 700 µm (kai kurie žmonės gali matyti šiek tiek „plačiau“): nuo 380 µm iki 780 µm). Žemesni dažniai atitinka infraraudonųjų spindulių arba šiluminį spektrą, taip pat radijo bangas, kurios jau gali būti kelių kilometrų ilgio.
Vėliau straipsnyje mes atidžiau pažvelgsime į 2-ąjį klasifikavimo tipą, kuris nurodytas aukščiau esančiame sąraše.
Linijos ir nuolatinės emisijos spektrai
Visiškai bet kuri medžiaga, kaitinama, skleis elektromagnetines bangas. Kokie jų dažniai ir bangos ilgiai bus? Atsakymas į šį klausimą priklauso nuo tiriamos medžiagos agregacijos būsenos.
Skystis ir kietosios medžiagos paprastai skleidžia nuolatinį dažnių rinkinį, tai yra, skirtumas tarp jų yra toks mažas, kad galime kalbėti apie nenutrūkstamą spinduliuotės spektrą. Savo ruožtu, jei kaitinamos žemo slėgio atominės dujos, jos pradės „švyti“, skleisdamos griežtai apibrėžtus bangos ilgius. Jei pastarieji yra sukurti ant fotojuostos, tai bus siauros linijos, kurių kiekviena yra atsakinga už tam tikrą dažnį (bangos ilgį). Todėl šios rūšies spinduliuotė buvo vadinama linijinės emisijos spektru.
Tarp linijos ir ištisinio yra tarpinio tipo spektras, kuris paprastai išskiria molekulines, o ne atomines dujas. Šis tipas yra izoliuotos juostos, kurių kiekviena, išsamiai išnagrinėjus, susideda iš atskirų siaurų linijų.
Linijos sugerties spektras
Visa tai, kas buvo pasakyta ankstesnėje pastraipoje, buvo susiję su bangų spinduliavimu iš materijos. Tačiau jis taip pat turi sugeriamumą. Atlikime įprastą eksperimentą: paimkime š alto iškrovimo atomines dujas (pavyzdžiui, argoną ar neoną) ir leiskime pro jas b altai šviesai iš kaitrinės lempos. Po to analizuojame šviesos srautą, einantį per dujas. Pasirodo, jei šis srautas išskaidomas į atskirus dažnius (tai galima padaryti naudojant prizmę), tai stebimame ištisiniame spektre atsiranda juodos juostos, kurios rodo, kad šiuos dažnius sugėrė dujos. Šiuo atveju kalbama apie linijos sugerties spektrą.
XIX amžiaus viduryje. Vokiečių mokslininkas GustavasKirchhoffas atrado labai įdomią savybę: jis pastebėjo, kad vietos, kuriose ištisiniame spektre atsiranda juodos linijos, tiksliai atitinka tam tikros medžiagos spinduliavimo dažnius. Šiuo metu ši savybė vadinama Kirchhoffo dėsniu.
Balmerio, Limano ir Pašeno serijos
Nuo XIX amžiaus pabaigos fizikai visame pasaulyje stengėsi suprasti, kas yra spinduliuotės linijiniai spektrai. Nustatyta, kad kiekvienas tam tikro cheminio elemento atomas bet kokiomis sąlygomis turi tą patį spinduliavimą, tai yra, jis skleidžia tik tam tikro dažnio elektromagnetines bangas.
Pirmuosius išsamius šios problemos tyrimus atliko šveicarų fizikas Balmeris. Savo eksperimentuose jis naudojo iki aukštos temperatūros įkaitintas vandenilio dujas. Kadangi vandenilio atomas yra paprasčiausias iš visų žinomų cheminių elementų, lengviausia ištirti jo spinduliuotės spektro ypatybes. Balmeris gavo nuostabų rezultatą, kurį užrašė tokia formule:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Čia λ yra skleidžiamos bangos ilgis, RH - tam tikra pastovi reikšmė, kuri vandenilio atveju yra lygi 1, 097107 m -1, n yra sveikas skaičius, prasidedantis nuo 3, t. y. 3, 4, 5 ir tt
Visi ilgiai λ, gauti pagal šią formulę, patenka į žmonėms matomą optinį spektrą. Ši vandenilio λ verčių serija vadinama spektruBalmeris.
Vėliau, naudodamas atitinkamą įrangą, amerikiečių mokslininkas Theodore'as Limanas atrado ultravioletinį vandenilio spektrą, kurį aprašė formule, panašia į Balmerio formulę:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Galiausiai kitas vokiečių fizikas Friedrichas Paschenas nustatė vandenilio emisijos infraraudonųjų spindulių srityje formulę:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Nepaisant to, šias formules galima paaiškinti tik kvantinės mechanikos raida XX a. ketvirtajame dešimtmetyje.
Rutherfordas, Bohras ir atominis modelis
Pirmajame XX amžiaus dešimtmetyje Ernestas Rutherfordas (Naujosios Zelandijos kilmės britų fizikas) atliko daugybę eksperimentų, siekdamas ištirti įvairių cheminių elementų radioaktyvumą. Šių tyrimų dėka gimė pirmasis atomo modelis. Rutherfordas manė, kad šis materijos „grūdelis“susideda iš elektrai teigiamo branduolio ir jo orbitomis besisukančių neigiamų elektronų. Kulono jėgos paaiškina, kodėl atomas „neskyla“, o elektronus veikiančios išcentrinės jėgos yra priežastis, kodėl pastarieji nepatenka į branduolį.
Atrodo, kad šiame modelyje viskas yra logiška, išskyrus vieną, bet. Faktas yra tas, kad judant kreivine trajektorija, bet kuri įkrauta dalelė turi skleisti elektromagnetines bangas. Tačiau stabilaus atomo atveju šis poveikis nepastebimas. Tada paaiškėja, kad pats modelis yra neteisingas?
Buvo padaryti reikalingi pakeitimaikitas fizikas yra danas Nielsas Bohras. Šios pataisos dabar žinomos kaip jo postulatai. Bohras Rutherfordo modelyje pateikė du pasiūlymus:
- elektronai juda nejudančiomis orbitomis atome, kol neišskiria ir nesugeria fotonų;
- spinduliavimo (absorbcijos) procesas vyksta tik tada, kai elektronas juda iš vienos orbitos į kitą.
Kas yra stacionarios Boro orbitos, aptarsime kitoje pastraipoje.
Energijos lygių kiekybinis nustatymas
Stacionarios elektrono orbitos atome, apie kurias Boras pirmą kartą kalbėjo, yra stabilios šios dalelės bangos kvantinės būsenos. Šioms būsenoms būdinga tam tikra energija. Pastarasis reiškia, kad elektronas atome yra kažkokioje energetinėje „šulinėje“. Jis gali patekti į kitą „duobę“, jei iš išorės gauna papildomos energijos fotono pavidalu.
Vandenilio sugerties ir emisijos spektruose, kurių formulės pateiktos aukščiau, matote, kad pirmasis skliausteliuose esantis narys yra 1/m formos skaičius2, kur m=1, 2, 3.. yra sveikas skaičius. Jis atspindi stacionarios orbitos, į kurią elektronas pereina iš aukštesnio energijos lygio n, skaičių.
Kaip jie tiria spektrus matomame diapazone?
Aukščiau jau buvo pasakyta, kad tam naudojamos stiklinės prizmės. Pirmą kartą tai padarė Izaokas Niutonas 1666 m., kai matomą šviesą suskaidė į vaivorykštės spalvų rinkinį. Priežastis dėlkuris stebimas lūžio rodiklio priklausomybėje nuo bangos ilgio. Pavyzdžiui, mėlyna šviesa (trumposios bangos) lūžta stipriau nei raudona šviesa (ilgosios bangos).
Atkreipkite dėmesį, kad bendrais atvejais, kai elektromagnetinių bangų pluoštas juda bet kurioje materialioje terpėje, šio pluošto aukšto dažnio komponentai visada lūžta ir išsisklaido stipriau nei žemo dažnio. Puikus pavyzdys yra mėlyna dangaus spalva.
Objektyvo optika ir matomas spektras
Dirbant su lęšiais dažnai naudojama saulės šviesa. Kadangi tai ištisinis spektras, praeinant pro objektyvą, jo dažniai lūžta skirtingai. Dėl to optinis įrenginys negali surinkti visos šviesos viename taške, atsiranda vaivorykštės atspalvių. Šis efektas žinomas kaip chromatinė aberacija.
Nurodyta lęšių optikos problema iš dalies išspręsta naudojant optinių stiklų derinį atitinkamuose prietaisuose (mikroskopuose, teleskopuose).
