Випромінювання та поглинання світла атомами. Походження лінійчатих спектрів

У цій статті наводяться основні поняття, необхідні для розуміння того, як відбувається випускання і поглинання світла атомами. Також тут описується застосування цих явищ.

Смартфон і фізика

Людина, яка народилася пізніше 1990 року, своюжиття без різноманітних електронних пристроїв не може уявити. Смартфон не тільки замінює телефон, але і дає можливість стежити за курсами валют, здійснювати операції, викликати таксі і навіть листуватися з космонавтами на борту МКС через свої додатки. Відповідно, і сприймаються всі ці цифрові помічники як щось само собою зрозуміле. Випромінювання та поглинання світла атомами, завдяки яким і стала можлива ера зменшення всіляких пристроїв, таким читачам здасться лише нудною темою на уроках фізики. Але в цьому розділі фізики багато цікавого і захоплюючого.

Теоретичні передумови для відкриття спектрів

Є приказка: «Цікавість до добра не доведе». Але цей вислів швидше стосується того факту, що в чужі взаємини краще не втручатися. Якщо ж проявити допитливість до навколишнього світу, нічого поганого не буде. В кінці дев'ятнадцятого століття людям стала зрозуміла природа магнетизму (вона добре описана в системі рівнянь Максвелла). Наступним питанням, яке захотілося дозволити вченим, стало будова речовини. Треба відразу уточнити: для науки цінне не саме випускання і поглинання світла атомами. Лінійчаті спектри - це наслідок даного явища і підстава для вивчення будови речовин.

будова атома

Вчені ще в Стародавній Греції припустили, щомармур складається з деяких неподільних шматочків, «атомів». І до кінця дев'ятнадцятого століття люди думали, що це найменші частинки речовини. Але досвід Резерфорда по розсіюванню важких частинок на золотій фользі показав: атом теж має внутрішню будову. Важке ядро ​​знаходиться в центрі і заряджена позитивно, легкі негативні електрони обертаються навколо нього.

Парадокси атома в рамках теорії Максвелла

Ці дані викликали до життя кілька парадоксів: відповідно до рівнянь Максвелла, будь-яка рухається заряджена частинка випускає електромагнітне поле, отже, втрачає енергію. Чому ж тоді електрони не падають на ядро, а продовжують обертатися? Також було незрозуміло, чому кожен атом поглинає або випромінює фотони тільки певної довжини хвилі. Теорія Бора дозволила усунути ці невідповідності шляхом введення орбіталей. Згідно постулатам цієї теорії, електрони можуть знаходитися навколо ядра тільки на цих орбіталях. Перехід між двома сусідніми станами супроводжується або випусканням, або поглинанням кванта з певною енергією. Випромінювання та поглинання світла атомами відбувається саме завдяки цьому.

Довжина хвилі, частота, енергія

Для більш повної картини необхідно розповіститрохи про фотонах. Це елементарні частинки, у яких немає маси спокою. Вони існують, тільки поки рухаються крізь середу. Але масою все-таки мають: вдаряючись об поверхню, вони передають їй імпульс, що було б неможливо без маси. Просто свою масу вони перетворюють в енергію, роблячи речовина, про яке вони вдаряються і яким вони поглинаються, трохи тепліше. Теорія Бора не пояснює цей факт. Властивості фотона і особливості його поведінки описує квантова фізика. Отже, фотон - одночасно і хвиля, і частка з масою. Фотон, і як хвиля, володіє наступними характеристиками: довжиною (λ), частотою (ν), енергією (Е). Чим більше довжина хвилі, тим нижче частота, і тим нижче енергія.

спектр атома

Атомний спектр формується в кілька етапів.

1. Електрон в атомі переходить з орбіталі 2 (з більш високою енергією) на орбиталь 1 (з менш низькою енергією).
2. Вивільняється деяка кількість енергії, яке формується як квант світла (hν).
3. Цей квант випромінюється в навколишній простір.

Таким чином і виходить лінійчатий спектратома. Чому він називається саме так, пояснює його форма: коли спеціальні пристрої «ловлять» вихідні фотони світла, на що реєструє приладі фіксується ряд ліній. Щоб розділити фотони різної довжини хвилі, використовується явище дифракції: хвилі з різною частотою мають різний показник заломлення, отже, одні відхиляються сильніше, ніж інші.

Властивості речовин і спектри

Лінійчатий спектр речовини унікальний для кожноговиду атомів. Тобто водень при випущенні дасть один набір ліній, а золото - інший. Цей факт і є основою для застосування спектрометрії. Отримавши спектр чого завгодно, можна зрозуміти, з чого складається речовина, як в ньому розташовуються атоми відносно один одного. Цей метод дозволяє визначити і різні властивості матеріалів, що часто використовує хімія і фізика. Поглинання і випускання світла атомами - один з найпоширеніших інструментів для вивчення навколишнього світу.

Недоліки методу спектрів випускання

До даного моменту говорилося швидше про те, якатоми випромінюють. Але зазвичай все електрони перебувають на своїх орбіталях в стані рівноваги, у них немає причин переходити в інші стани. Щоб речовина щось випромінюючи, воно спочатку має поглинути енергію. У цьому недолік методу, який експлуатує поглинання і випускання світла атомом. Коротко скажемо, що речовина спочатку потрібно нагріти або висвітлити, перш ніж ми отримаємо спектр. Питань не виникне, якщо вчений вивчає зірки, вони і так світяться завдяки власним внутрішнім процесам. Але якщо потрібно вивчити шматочок руди або харчовий продукт, то для отримання спектра його фактично треба спалити. Цей спосіб підходить не завжди.

спектри поглинання

Випромінювання і поглинання світла атомами як метод«Працює» в дві сторони. Можна посвітити на речовина широкосмуговим світлом (тобто таким, в якому присутні фотони різних довжин хвиль), а потім подивитися, хвилі яких довжин поглинулися. Але підходить цей спосіб не завжди: обов'язково, щоб речовина була прозорим для потрібної частини електромагнітної шкали.

Якісний і кількісний аналіз

Стало зрозуміло: спектри унікальні для кожного речовини. Читач міг зробити висновок: такий аналіз використовується тільки для того, щоб визначити, з чого зроблений матеріал. Однак можливості спектрів набагато ширше. За допомогою особливих методик розгляду і розпізнавання ширини та інтенсивності одержані ліній можна встановити кількість входять у з'єднання атомів. Причому показник цей можна висловлювати в різних одиницях:

• у відсотках (наприклад, в цьому сплаві міститься 1% алюмінію);
• в молях (в цій рідині розчинено 3 благаючи кухонної солі);
• в грамах (в даному зразку присутні 0,2 г урану і 0,4 грама торію).

Іноді аналіз буває змішаним: якісним і кількісним одночасно. Але якщо раніше фізики заучували напам'ять положення ліній і оцінювали їх відтінок за допомогою спеціальних таблиць, то зараз все це роблять програми.

застосування спектрів

Ми вже досить детально розібрали, що такевипускання і поглинання світла атомами. Спектральний аналіз застосовується дуже широко. Немає жодної сфери людської діяльності, де б не використовувалося розглядається нами явище. Ось деякі з них:

1. На самому початку статті ми говорили про смартфонах. Кремнієві напівпровідникові елементи стали такими маленькими, в тому числі і завдяки дослідженням кристалів за допомогою спектрального аналізу.
2. При будь-яких подіях саме унікальністьелектронної оболонки кожного атома дозволяє визначити, яку кулю випустили першої, чому зламався каркас машини або впав баштовий кран, а також якою отрутою отруїлася людина, і скільки часу він пробув у воді.
3. Медицина використовується спектральний аналіз в своїх цілях найчастіше по відношенню до рідин тіла, але буває, що цей метод застосовується і до тканин.
4. Далекі галактики, хмари космічного газу,планети у чужих зірок - все це вивчають за допомогою світла і його розкладання в спектри. Вчені дізнаються складу цих об'єктів, їх швидкість і процеси, які в них відбуваються завдяки тому, що можуть зафіксувати і проаналізувати фотони, які вони випускають або поглинають.

електромагнітна шкала

Найбільше ми приділяємо уваги видимого світла. Але на електромагнітної шкалою цей відрізок дуже маленький. Те, що людське око не фіксує, набагато ширше семи кольорів веселки. Випускати і поглинатися можуть не тільки видимі фотони (λ = 380-780 нанометрів), але і інші кванти. Електромагнітна шкала включає:

1. радіохвилі (Λ = 100 кілометрів) передають інформацію на далекі відстані. Через дуже великої довжини хвилі їх енергія дуже низька. Вони дуже легко поглинаються.
2. терагерцеві хвилі (Λ = 1-0,1 міліметрів) до недавнього часу були важкодоступні. Раніше їх діапазон включали в радіохвилі, але зараз цей відрізок електромагнітної шкали виділяється в окремий клас.
3. Інфрачервоні хвилі (λ = 0,74-2000 мікрометрів) переносять тепло. Багаття, лампа, Сонце випромінюють їх в надлишку.

Видиме світло ми розглянули, тому більш детально про нього писати не будемо.

ультрафіолетові хвилі (Λ = 10-400 нанометрів) смертельні для людини внадлишку, але і їх недолік викликає незворотні процеси. Наша центральна зірка дає дуже багато ультрафіолету, а атмосфера Землі затримує велику його частину.

Рентгенівські та гамма-кванти (Λ <10 нанометрів) мають загальний діапазон, алерозрізняються за походженням. Щоб отримати їх, потрібно розігнати електрони або атоми до дуже високих швидкостей. Лабораторії людей здатні на це, але в природі такі енергії зустрічаються тільки всередині зірок або при зіткненнях масивних об'єктів. Прикладом останнього процесу можуть служити вибухи наднових, поглинання зірки чорною дірою, зустріч двох галактик або галактики і масивного хмари газу.

Електромагнітні хвилі всіх діапазонів, а самеїх здатність випускати і поглинатися атомами, застосовуються в людській діяльності. Незалежно від того, що читач обрав (або тільки збирається обрати) в якості своєї життєвої стежки, він точно зіткнеться з результатами спектральних досліджень. Продавець користується сучасним платіжним терміналом лише тому, що колись вчений досліджував властивості речовин і створив мікрочіп. Аграрій удобрює поля і збирає зараз великі врожаї тільки тому, що колись геолог виявив фосфор в шматку руди. Дівчина носить яскраві вбрання тільки завдяки винаходу стійких хімічних барвників.

Але якщо читач бажає пов'язати своє життя зі світом науки, то доведеться вивчити набагато більше, ніж основні поняття процесу випромінювання і поглинання квантів світла в атомах.