Emise a absorpce světla atomy. Původ spektra linky

Tento článek představuje základní pojmy potřebné k pochopení toho, jak atomy emitují a absorbují světlo. Také je popsáno použití těchto jevů.

Smartphone a fyzika

Muž, který se narodil po roce 1990, si život bez různých elektronických zařízení nedokáže představit. Inteligentní telefon nejen nahrazuje telefon, ale také umožňuje monitorovat měnové kurzy, provádět obchody, zavolat taxi a dokonce korespondovat s astronauty na palubě ISS prostřednictvím svých aplikací. Proto jsou všichni tito digitální asistenti vnímáni jako samozřejmost. Emise a absorpce světla atomy, díky nimž se éra redukce všech druhů zařízení stala možnou, se takovým čtenářům bude zdát jen nudné téma ve výuce fyziky. Ale v této části fyziky je spousta zajímavých a fascinujících.

Teoretické předpoklady pro objev spektra

Existuje výrok: "Zvědavost nevede k dobrému". Tento výraz se však s větší pravděpodobností odvolává na skutečnost, že je lepší nezasahovat do vztahů jiných lidí. Pokud projevíte zvědavost světu kolem vás, nic nebude špatné. Na konci devatenáctého století se lidé ujasnili povaha magnetismu (je dobře popsán v systému Maxwellových rovnic). Další otázkou, kterou vědci chtěli řešit, byla struktura hmoty. Musíme okamžitě objasnit: pro vědu to není emise a absorpce světla atomy, které jsou cenné. Zvláštní spektra jsou důsledkem tohoto jevu a základem pro studium struktury látek.

Struktura atomu

Vědci ve starověkém Řecku navrhli, aby mramor sestával z několika nedělitelných kusů, "atomů". A až do konce devatenáctého století si lidé mysleli, že to jsou ty nejmenší částice hmoty. Ale Rutherfordova zkušenost s rozptylem těžkých částic na zlaté fólii ukázala: atom má také vnitřní strukturu. Těžké jádro je ve středu a kladně nabité, kolem něj se otáčejí zářivé elektrony.

Paradoxy atomu v rámci teorie Maxwella

Tyto údaje přinesly do života několik paradoxů: podle Maxwellových rovnic každá pohyblivá nabitá částice vyzařuje elektromagnetické pole, a proto ztrácí energii. Proč tedy elektrony nepadnou na jádro, ale stále se otáčejí? Nebylo také jasné, proč každý atom absorbuje nebo vysílá fotony pouze s určitou vlnovou délkou. Bohrova teorie umožnila odstranit tyto nesrovnalosti zavedením orbitálů. Podle postulátů této teorie mohou být elektrony kolem jádra pouze na těchto orbitálech. Přechod mezi dvěma sousedními státy je doprovázen emisí nebo absorpcí kvantové energie s určitou energií. Emise a absorpce světla atomy je kvůli tomu.

Vlnová délka, frekvence, energie

Pro úplnější obrázek je třeba trochu říct o fotonech. Jedná se o elementární částice, které nemají odpočinkovou hmotnost. Existují pouze v průběhu pohybu v prostředí. Ale hmota stále má: zasáhne povrch, přinášejí mu impuls, který by bez hmoty nebyl možný. Prostě přeměňují svou hmotu na energii, čímž látku zasáhnou a absorbují, trochu tepleji. Bohrova teorie tuto skutečnost nevysvětluje. Vlastnosti fotonu a vlastnosti jeho chování jsou popsány kvantovou fyzikou. Takže foton je jak vlna, tak částečka s hmotou. Foton a jako vlna má následující charakteristiky: délka (lambda-), frekvence (nu-), energie (E). Čím delší je vlnová délka, tím nižší je frekvence a tím nižší je energie.

Spektrum atomu

Atomové spektrum se vytváří v několika fázích.

1. Elektron v atomu prochází z oběžné dráhy 2 (s vyšší energií) na orbitální 1 (s nižší energií).
2. Uvolní se určité množství energie, které se tvoří jako kvantum světla (hnu-).
3. To je kvantum je vydáván do okolního prostoru.

Tímto způsobem se získá spektrum lineárního atomu. Proč se to nazývá tímto způsobem, vysvětluje jeho podobu: když speciální zařízení "zachycuje" odchozí fotony světla, je řada linek fixována na záznamovém zařízení. K separaci fotonů různých vlnových délek se používá fenomén difrakce: vlny s různými frekvencemi mají odlišný index lomu, proto se některé odlišují silněji než jiné.

Vlastnosti látek a spektra

Lineární spektrum látky je jedinečné pro každý typ atomů. To znamená, že vodík vydává jeden soubor linek a zlato - druhý. Tato skutečnost je základem pro aplikaci spektrometrie. Když jste získali spektrum cokoli, můžete pochopit, z čeho se látka skládá, jak jsou atomy uspořádány vůči sobě navzájem. Tato metoda umožňuje určit různé vlastnosti materiálů, které často používají chemii a fyziku. Absorpce a emise světla atomy je jedním z nejběžnějších nástrojů pro studium okolního světa.

Nevýhody metody emisních spekter

Až do tohoto okamžiku bylo řečeno více o tom, jak atomy vyzařují. Ale obvykle jsou všechny elektrony v jejich orbitalech ve stavu rovnováhy, nemají důvod přejít k jiným státům. Aby látka mohla něco vyzařovat, musí nejprve absorbovat energii. To je nevýhoda metody, která využívá absorpci a emise světla atomem. Stručně řekněte, že před tím, než dostaneme spektrum, musí být látka nejprve zahřátá nebo osvětlena. Otázky nebudou vznikají, pokud vědec studuje hvězdy, už svítí kvůli svým vlastním vnitřním procesům. Ale pokud potřebujete studovat kus rudy nebo jídlo, pak získat spektrum, které skutečně potřebuje být spálené. Tato metoda není vždy vhodná.

Absorpční spektra

Radiace a absorpce světla atomy jako metoda "funguje" ve dvou směrech. Na látku můžete svítit širokopásmové světlo (tj. V němž jsou fotony různých vlnových délek) a pak vidět, jaké vlnové délky jsou absorbovány. Tato metoda však vždy nefunguje: je nutné, aby látka byla transparentní pro požadovanou část elektromagnetické škály.

Kvalitativní a kvantitativní analýza

Je zřejmé, že spektra jsou pro každou látku jedinečná. Čtenář by mohl dospět k závěru, že taková analýza se používá pouze k určení, odkud je materiál vyroben. Spektra jsou však mnohem širší. Pomocí speciálních technik pro zkoumání a rozpoznání šířky a intenzity výsledných čar je možné určit počet atomů vstupujících do sloučeniny. A tento ukazatel lze vyjádřit v různých jednotkách:

• v procentech (například v této slitině obsahuje 1% hliníku);
• v molách (v této kapalině se rozpustí 3 mol společné soli);
• v gramech (v tomto vzorku je 0,2 g uranu a 0,4 g thoria).

Někdy je analýza smíšena: kvalitativně i kvantitativně současně. Ale jestliže dřívější fyzici si uvědomili pozici linií srdcem a zhodnotili svůj odstín pomocí zvláštních tabulek, nyní všechny tyto programy dělají.

Aplikace spektra

Již jsme důkladně analyzovali, co je emise a absorpce světla atomy. Spektrální analýza se používá velmi široce. Neexistuje ani jedna oblast lidské činnosti, kde se používá fenomén, který uvažujeme. Zde jsou některé z nich:

1. Na začátku článku jsme hovořili o smartphonech. Silikonové polovodičové prvky se staly tak malými, včetně studie krystalů za použití spektrální analýzy.
2. V případě jakéhokoliv incidentu, to je jedinečnost elektronovém obalu každého atomu určuje, jaký druh kulky vystřelil jako první, proč se porouchalo auto rámce nebo věžového jeřábu, stejně jako některé jedem otrávené lidi a kolik času strávil ve vodě.
3. Lékař používá spektrální analýzu pro své vlastní účely nejčastěji s ohledem na tělesné tekutiny, ale stane se, že tato metoda je také aplikována na tkáně.
4. Daleko galaxie, mraky kosmického plynu, planety ve hvězdách jiných lidí - to vše se zkoumá pomocí světla a jeho rozkladu na spektra. Vědci rozpoznávají složení těchto objektů, jejich rychlost a procesy, které se v nich vyskytují, protože mohou fixovat a analyzovat fotony, které emitují nebo absorbují.

Elektromagnetické měřítko

Nejvíce věnujeme pozornost viditelnému světlu. Ale v elektromagnetickém měřítku je tento segment velmi malý. To, co lidské oko neurčuje, je mnohem širší než sedm barev duhy. Nejen viditelné fotony mohou být vysílány a absorbovány (lambda = 380-780 nanometrů), ale také jiné kvantové. Elektromagnetická měřítka zahrnuje:

1. Rádiové vlny (lambda = 100 kilometrů) vysílají informace na dlouhé vzdálenosti. Kvůli velmi dlouhé vlnové délce je jejich energie velmi nízká. Jsou velmi snadno absorbovány.
2. Terahertzovy vlny (lambda = = 1-1,1 milimetrů) až do nedávné doby bylo obtížné získat přístup. Dříve jejich rozsah byl zahrnut v rádiových vlnách, ale nyní je tento segment elektromagnetické škály přidělen do samostatné třídy.
3. Infračervené vlny (lambda = = 0,4-24-2 mikrometry) přenášejí teplo. Ohňostroj, lampa, slunce je vyzařuje hojně.

Viditelné světlo jsme zkoumali, takže o tom nebudeme psát víc.

Ultravioletové vlny (lambda = 10-400 nanometrů) jsou smrtelné pro člověka v přebytku, ale jejich nedostatek způsobuje nezvratné procesy. Naše centrální hvězda přináší mnoho ultrafialového záření a zemská atmosféra ji většinou drží.

Rentgenové a gamma kvantové (lambda- < 10 nanometrů) mají společný rozsah, ale liší se původem. Chcete-li je získat, musíte zrychlit elektrony nebo atomy na velmi vysoké rychlosti. Laboratoře lidí jsou schopné toho, ale v přírodě se takové energie nacházejí pouze uvnitř hvězd nebo ve srážkách masivních objektů. Příkladem posledního procesu může být výbuch supernovy, hvězda po černé díře, setkání dvou galaxií nebo galaxie a obrovský plynový mrak.

Elektromagnetické vlny všech rozsahů, jmenovitě jejich schopnost emitovat a absorbované atomy, se používají v lidské činnosti. Bez ohledu na to, co si čtenář zvolil (nebo se rozhodne jen vybírat) jako svou životní cestu, se rozhodně setká s výsledky spektrálních studií. Prodávající využívá moderní platební terminál pouze proto, že vědec zkoumal vlastnosti látek a vytvořil mikročip. Agrární oplodnění pole a shromažďuje velké výnosy nyní jen proto, že jednou geolog objevil fosfor v kusu rudy. Dívka nosí světlé oblečení pouze díky vynálezu trvalých chemických barviv.

Ale pokud chce čtenář propojit svůj život se světem vědy, pak je nutné studovat mnohem víc než základní pojmy procesu radiace a absorpce lehkých kvant v atomu.