Emisija i apsorpcija svetlosti atomima. Poreklo linijskih spektara

U ovom članku predstavljeni su osnovni pojmovi potrebni za razumevanje kako se atomi emituju i apsorbuju svetlost. Takođe, ovdje je opisana primjena ovih pojava.

Pametni telefon i fizika

Čovek koji je rođen posle 1990. godine, njegov život bez raznih elektronskih uređaja ne može da zamisli. Pametni telefon ne samo da zamenjuje telefon, već vam omogućava i da pratite kurseve valuta, sklapate poslove, pozovete taksi i čak korespondirate sa astronautima na brodu ISS preko svojih aplikacija. Shodno tome, i svi ovi digitalni asistenti se posmatraju kao stvar naravno. Emisija i apsorpcija svetlosti od strane atoma, zahvaljujući kojoj je postojala mogućnost smanjenja svih vrsta uređaja, čini se da su takvi čitaoci samo dosadna tema u časovima fizike. Ali u ovom delu fizike mnogo zanimljiv i fascinantan.

Teorijski preduslovi za otkrivanje spektra

Postoji izreka: "Radoznalost ne vodi u dobro". Međutim, ovaj izraz više se odnosi na činjenicu da je bolje da se ne mešaju u odnose drugih ljudi. Ako pokazujete radoznalost svetu oko vas, ništa neće biti pogrešno. Krajem devetnaestog veka ljudi su shvatili prirodu magnetizma (dobro je opisan u sistemu Maxwellovih jednačina). Sledeće pitanje koje su naučnici želeli da reše bila je struktura materije. Moramo odmah razjasniti: jer nauka nije vrijedna same emisije i apsorpcije svjetlosti od strane atoma. Rukani spektri su posljedica ovog fenomena i osnova za proučavanje strukture supstanci.

Struktura atoma

Naučnici čak iu drevnoj Grčkoj pretpostavljali su da se mermer sastoji od nekih nedeljivih bitova, "atoma". I do kraja XIX veka, ljudi su mislili da su najmanja čestica materije. Ali Raterfordovo iskustvo rasipanja teških čestica na zlatnoj foliji pokazalo je da atom takođe ima unutrašnju strukturu. Teško jezgro je u centru i pozitivno napunjeno, negativni elektroni se okreću oko nje.

Paradoksi jednog atoma u okviru Maxwellove teorije

Ovi podaci su doveli do života nekoliko paradoksa: prema Maxwellovim jednačinama, svaka pokretna punjena čestica emituje elektromagnetno polje, stoga gubi energiju. Zašto onda elektroni ne padaju na jezgru, ali nastavljaju da se rotiraju? Takođe nije bilo jasno zašto svaki atom apsorbuje ili emituje fotone samo određene talasne dužine. Borova teorija omogućila je eliminisanje ovih odstupanja uvođenjem orbitala. Prema postulatima ove teorije, elektroni mogu biti oko jezgra samo na ovim orbitama. Prelaz između dve susedne države prati ili emisiona ili apsorpcija kvanta sa određenom energijom. Zbog toga je emisija i apsorpcija svetlosti od strane atoma.

Talasna dužina, frekvencija, energija

Za potpuniju sliku potrebno je malo reći o fotonima. To su elementarne čestice, koje nemaju masu za odmor. Postoje samo dok se kreću kroz okolinu. Ali masa još uvek ima: udarajući se na površinu, daju im impuls, što bi bilo nemoguće bez mase. Oni samo pretvaraju svoju masu u energiju, čineći supstancu koju udaraju i koju apsorbuju, malo toplije. Borova teorija ne objašnjava ovu činjenicu. Karakteristike fotona i karakteristike njegovog ponašanja opisuju kvantna fizika. Dakle, foton je i talas i čestica sa masom. Foton i kao talas ima sledeće karakteristike: dužinu (λ), frekvenciju (ν), energiju (E). Što je duža talasna dužina, to je niža frekvencija, a niža je energija.

Spektar atoma

Atomski spektar se formira u nekoliko faza.

1. Elektron u atomu prolazi od orbitalne 2 (sa višom energijom) do orbitala 1 (sa nižim energijom).
2. Otpuštena je određena količina energije, koja se formira kao kvant svetlosti (hν).
3. Ovaj kvant se emituje u okolni prostor.

Ovako se dobija linijski spektar atoma. Zašto se tako naziva, objašnjava njegov oblik: kada specijalni uređaji "uhvate" izlazne fotone svetlosti, na uređaju za snimanje je fiksiran niz linija. Za odvajanje fotona različitih talasnih dužina koristi se fenomen difrakcije: talasi sa različitim frekvencijama imaju različit indeks refrakcije, pa se neki od njih više razlikuju od drugih.

Svojstva supstanci i spektara

Linijski spektar supstance je jedinstven za svaki tip atoma. To jest, vodonik emituje jedan skup linija, a zlatni - drugi. Ova činjenica je osnova za primjenu spektrometrije. Pošto ste primili spektar bilo čega, možete shvatiti od čega se sastojka sastoji, kako su atomi uređeni u odnosu jedna na drugu. Ovim metodom možete utvrditi i različita svojstva materijala, koja često koriste hemiju i fiziku. Apsorpcija i emisija svetlosti od strane atoma jedan je od najčešćih alata za proučavanje okolnog sveta.

Nedostaci metode emisionih spektara

Do ove tačke, više se odnosilo na to kako zrače atomi. Ali obično su svi elektroni u svojoj orbiti u stanju ravnoteže, nemaju razloga da se menjaju u druge države. Da bi jedna materija nešto emitovala, ona mora prvo da apsorbuje energiju. Ovo je nedostatak metode koja eksploatiše apsorpciju i emisiju svetlosti atomom. Ukratko reci da supstanca mora prvo da se zagreje ili osvetli pre nego što dobijemo spektar. Pitanja se neće pojaviti ako naučnik proučava zvezde, oni već sijaju zbog sopstvenih internih procesa. Ali, ako želite da proučite komad rude ili hrane, onda da biste dobili spektar, zapravo morate ga spaliti. Ovaj metod ne funkcioniše uvek.

Spektar apsorpcije

Radijacija i apsorpcija svetlosti od strane atoma kao metoda "radi" u dva pravca. Na supstancu možete sjajiti širokopojasnu svetlost (to jest, u kojoj postoje fotoni različitih talasnih dužina), a zatim videti koje talasne dužine se apsorbuju. Ali ova metoda nije uvek odgovarajuća: neophodno je da je supstanca transparentna za željeni deo elektromagnetne skale.

Kvalitativna i kvantitativna analiza

Postalo je jasno: spektri su jedinstveni za svaku supstancu. Čitač bi mogao zaključiti da se takva analiza koristi samo da bi se odredilo od čega se pravi materijal. Međutim, spektri su mnogo širi. Uz pomoć posebnih tehnika za ispitivanje i prepoznavanje širine i intenziteta dobijenih linija, moguće je odrediti broj atoma koji ulaze u jedinjenje. Ovaj pokazatelj se može izraziti u različitim jedinicama:

• U procentima (na primer, u ovoj leguri sadrži 1% aluminijuma);
• U molovima (3 molova čiste soli se rastvore u ovoj tečnosti);
• U gramima (u ovom uzorku ima 0,2 g uranijuma i 0,4 grama torijuma).

Ponekad je analiza mešovita: kvalitativna i kvantitativna istovremeno. Međutim, ako su ranije fizičari upamtili poziciju linija na srce i procenili svoju sjenku koristeći posebne tabele, sada svi ovi programi to rade.

Primjena spektara

Već smo detaljno analizirali koja je emisija i apsorpcija svetlosti od strane atoma. Spektralna analiza se koristi veoma široko. Ne postoji oblast ljudske aktivnosti gdje god se koristi fenomen koji razmatramo. Evo nekih od njih:

1. Na samom početku članka govorili smo o pametnim telefonima. Silicijumski poluprovodnički elementi su postali toliko mali, uključujući i proučavanje kristala uz pomoć spektralne analize.
2. U svakom slučaju, jedinstvenost elektronske školjke svakog atoma omogućava da se utvrdi koji metak je prvi ispaljen, zašto se trup automobila sruši ili pada kula, i koji otrov je otrovan i koliko je ostao u vodi.
3. Medicina koristi spektralnu analizu za svoje potrebe najčešće u odnosu na telesne tečnosti, ali se dešava da se ova metoda primjenjuje i na tkiva.
4. Dalja galaksija, oblaci kosmičkog gasa, planete u zvezdama drugih ljudi - sve ovo se proučava pomoću svetlosti i njegovog raspadanja u spektre. Naučnici prepoznaju sastav ovih predmeta, njihovu brzinu i procese koji se javljaju u njima zbog činjenice da mogu popraviti i analizirati fotone koje emituju ili apsorbuju.

Elektromagnetna skala

Većina pažnje posvećujemo vidljivoj svetlosti. Ali na elektromagnetnoj skali ovaj segment je vrlo mali. Ono što ljudsko oko ne popravi je mnogo širi od sedam boja duge. Ne samo vidljivi fotoni (λ = 380-780 nanometara), već i drugi kvanti mogu se emitovati i apsorbovati. Elektromagnetna skala obuhvata:

1. Radio talasi (λ = 100 kilometara) prenose informacije na velikim daljinama. Zbog veoma dugačke talasne dužine, njihova energija je vrlo niska. Veoma se lako apsorbuju.
2. Terahercov talasi (λ = 1-0,1 milimetara) do skoro su bili teški za pristup. Ranije je njihov opseg bio uključen u radio talase, ali sada se ovaj segment elektromagnetne skale dodjeljuje posebnoj klasi.
3. Infracrveni talasi (λ = 0,74-2000 mikrometara) prenose toplotu. Kres, lampe, Sunce ih emituju u obilju.

Vidljivo svetlo, pregledali smo, tako da više o tome nećemo pisati.

Ultravioletni talasi (λ = 10-400 nanometara) su smrtonosni za ljude, ali njihov nedostatak uzrokuje nepovratne procese. Naša centralna zvezda daje puno ultraljubičastog svjetla, a zemlja atmosfera većina toga zadržava.

X-zraci i gama kvanta (λ <10 nanometara) imaju zajednički raspon, ali se razlikuju po porijeklu. Da biste ih dobili, potrebno je ubrzati elektrone ili atome na vrlo velike brzine. Laboratorije ljudi su sposobne za ovo, ali u prirodi se takve energije nalaze samo unutar zvezda ili u kolizijama velikih objekata. Primer drugog procesa može biti supernova eksplozija, apsorpcija zvezde crnom rupom, susret dve galaksije ili galaksije i masivni gasni oblak.

Elektromagnetni talasi svih opsega, odnosno njihova sposobnost da se emituju i apsorbuju atomi, koriste se u ljudskoj aktivnosti. Bez obzira na to što je čitalac izabrao (ili će tek izabrati) kao svoj životni put, on će definitivno naići na rezultate spektralnih studija. Prodavac koristi savremeni platni terminal samo zato što je jednom naučnik istražio svojstva supstanci i stvorio mikročip. Poljoprivredna gnojiva polja i sakuplja velike prinose sada samo zato što je jednom geolog otkrio fosfor u komadu rude. Devojka nosi sjajne odjeće samo zahvaljujući pronalasku upornih hemijskih boja.

Ali, ako čitalac želi da poveže svoj život sa svetom nauke, onda je neophodno naučiti mnogo više od osnovnih koncepata procesa zračenja i apsorpcije svetlosnih kvanta u atomima.