Выпусканне і паглынанне святла атамамі. Паходжанне Лінейчасты спектр

У гэтым артыкуле прыводзяцца асноўныя паняцці, неабходныя для разумення таго, як адбываецца выпусканне і паглынанне святла атамамі. Таксама тут апісваецца прымяненне гэтых з'яў.

Смартфон і фізіка

Чалавек, які нарадзіўся пазней 1990 года, сваё жыццё без разнастайных электронных прылад не можа ўявіць. Смартфон не толькі замяняе тэлефон, але і дае магчымасць сачыць за курсамі валют, здзяйсняць здзелкі, выклікаць таксі і нават перапісвацца з касманаўтамі на борце МКС праз свае прыкладання. Адпаведна, і ўспрымаюцца ўсе гэтыя лічбавыя памочнікі як нешта само сабой разумеецца. Выпусканне і паглынанне святла атамамі, дзякуючы якім і стала магчымая эра памяншэння разнастайных прылад, такім чытачам падасца толькі сумнай тэмай на ўроках фізікі. Але ў гэтым раздзеле фізікі шмат цікавага і займальнага.

Тэарэтычныя перадумовы для адкрыцця спектраў

Ёсць прымаўка: «Цікаўнасць да дабра не давядзе». Але гэты выраз хутчэй тычыцца таго факту, што ў чужыя ўзаемаадносіны лепш не ўмешвацца. Калі ж праявіць дапытлівасць да навакольнага свету, нічога дрэннага не будзе. У канцы дзевятнаццатага стагоддзя людзям стала зразумелая прырода магнетызму (яна добра апісана ў сістэме раўнанняў Максвелла). Наступным пытаннем, які захацелася дазволіць навукоўцам, стала будова рэчыва. Трэба адразу ўдакладніць: для навукі каштоўна не само выпусканне і паглынанне святла атамамі. Лінейчасты спектр - гэта следства дадзенага з'явы і падстава для вывучэння будовы рэчываў.

будова атама

Навукоўцы яшчэ ў Старажытнай Грэцыі выказалі здагадку, што мармур складаецца з некаторых непадзельных кавалачкаў, «атамаў». І да канца дзевятнаццатага стагоддзя людзі думалі, што гэта самыя маленькія часціцы рэчывы. Але досвед Рэзерфорда па рассейванню цяжкіх часціц на залатой фальзе паказаў: атам таксама мае ўнутраны будынак. Цяжкае ядро знаходзіцца ў цэнтры і зараджана станоўча, лёгкія адмоўныя электроны круцяцца вакол яго.

Парадоксы атама ў рамках тэорыі Максвелла

Гэтыя дадзеныя выклікалі да жыцця некалькі парадоксаў: згодна з раўнаннях Максвелла, любая якая рухаецца зараджаная часціца выпускае электрамагнітнае поле, такім чынам, губляе энергію. Чаму ж тады электроны не падаюць на ядро, а працягваюць круціцца? Таксама было незразумела, чаму кожны атам паглынае або выпускае фатоны толькі вызначанай даўжыні хвалі. Тэорыя Бора дазволіла ліквідаваць гэтыя неадпаведнасці шляхам уводу арбіталей. Згодна з пастулатам гэтай тэорыі, электроны могуць знаходзіцца вакол ядра толькі на гэтых арбіталей. Пераход паміж двума суседнімі станамі суправаджаецца альбо выпусканнем, альбо паглынаннем кванта з пэўнай энергіяй. Выпусканне і паглынанне святла атамамі адбываецца менавіта дзякуючы гэтаму.

Даўжыня хвалі, частата, энергія

Для больш поўнай карціны неабходна распавесці колькі словаў пра фатоны. Гэта элементарныя часціцы, у якіх няма масы спакою. Яны існуюць, толькі пакуль рухаюцца скрозь сераду. Але масай ўсё ж такі валодаюць: удараючыся аб паверхню, яны перадаюць ёй імпульс, што было б немагчыма без масы. Проста сваю масу яны ператвараюць у энергію, робячы рэчыва, аб якое яны б'юцца і якім яны паглынаюцца, трохі цяплей. Тэорыя Бора не тлумачыць гэты факт. Ўласцівасці фатона і асаблівасці яго паводзін апісвае квантавая фізіка. Такім чынам, фатон - адначасова і хваля, і часціца з масай. Фатон, і як хваля, валодае наступнымі характарыстыкамі: даўжынёй (λ), частатой (ν), энергіяй (Е). Чым больш даўжыня хвалі, тым ніжэй частата, і тым ніжэй энергія.

спектр атама

Атамны спектр фарміруецца ў некалькі этапаў.

1. Электрон у атаме пераходзіць з арбіталь 2 (з больш высокай энергіяй) на арбіталей 1 (з менш нізкай энергіяй).
2. Вызваляецца некаторая колькасць энергіі, якое фармуецца як квант святла (hν).
3. Гэты квант выпраменьваецца ў навакольную прастору.

Такім чынам і атрымліваецца Лінейчасты спектр атама. Чаму ён называецца менавіта так, тлумачыць яго форма: калі спецыяльныя прылады «ловяць» выходныя фатоны святла, на рэгіструючым прыборы фіксуецца шэраг ліній. Каб падзяліць фатоны рознай даўжыні хвалі, выкарыстоўваецца з'ява дыфракцыі: хвалі з рознай частатой маюць розны паказчык праламлення, такім чынам, адны адхіляюцца мацней, чым іншыя.

Ўласцівасці рэчываў і спектры

Лінейчасты спектр рэчывы унікальны для кожнага віду атамаў. Гэта значыць вадарод пры выпускання дасць адзін набор ліній, а золата - іншы. Гэты факт і з'яўляецца асновай для прымянення спектраметрыі. Атрымаўшы спектр чаго заўгодна, можна зразумець, з чаго складаецца рэчыва, як у ім размяшчаюцца атамы адносна адзін аднаго. Гэты метад дазваляе вызначыць і розныя ўласцівасці матэрыялаў, што часта выкарыстоўвае хімія і фізіка. Паглынанне і выпусканне святла атамамі - адзін з самых распаўсюджаных інструментаў для вывучэння навакольнага свету.

Недахопы метаду спектраў выпускання

Да дадзенага моманту гаварылася хутчэй пра тое, як атамы выпраменьваюць. Але звычайна ўсё электроны знаходзяцца на сваіх арбіталей ў стане раўнавагі, у іх няма прычын пераходзіць у іншыя стану. Каб рэчыва нешта выпраменьваючы, яно спачатку павінна паглынуць энергію. У гэтым недахоп метаду, які эксплуатуе паглынанне і выпусканне святла атамам. Коратка скажам, што рэчыва спачатку трэба нагрэць або асвятліць, перш чым мы атрымаем спектр. Пытанняў не ўзнікне, калі навуковец вывучае зоркі, яны і так свецяцца дзякуючы ўласным унутраным працэсам. Але калі патрабуецца вывучыць кавалачак руды або харчовай прадукт, то для атрымання спектру яго фактычна трэба спаліць. Гэты спосаб падыходзіць не заўсёды.

спектры паглынання

Выпраменьванне і паглынанне святла атамамі як метад «працуе» ў два бакі. Можна пасвяціць на рэчыва шырокапалосным святлом (гэта значыць такім, у якім прысутнічаюць фатоны розных даўжынь хваль), а потым паглядзець, хвалі якіх даўжынь паглынуць. Але падыходзіць гэты спосаб не заўсёды: абавязкова, каб рэчыва было празрыстым для патрэбнай часткі электрамагнітнай шкалы.

Якасны і колькасны аналіз

Стала ясна: спектры ўнікальныя для кожнага рэчывы. Чытач мог заключыць: такі аналіз выкарыстоўваецца толькі для таго, каб вызначыць, з чаго зроблены матэрыял. Аднак магчымасці спектраў значна шырэй. З дапамогай адмысловых методык разгляду і распазнання шырыні і інтэнсіўнасці атрыманых ліній можна ўсталяваць колькасць ўваходзяць у злучэнне атамаў. Прычым паказчык гэты можна выяўляць у розных адзінках:

• у працэнтах (напрыклад, у гэтым сплаве змяшчаецца 1% алюмінія);
• у молях (у гэтай вадкасці растворана 3 молячы паваранай солі);
• у грамах (у дадзеным узоры прысутнічаюць 0,2 г ўрану і 0,4 грама торыя).

Часам аналіз бывае змяшаным: якасным і колькасным адначасова. Але калі раней фізікі вучылі на памяць становішча ліній і ацэньвалі іх адценне з дапамогай адмысловых табліц, то цяпер усё гэта робяць праграмы.

прымяненне спектраў

Мы ўжо досыць падрабязна разабралі, што такое выпусканне і паглынанне святла атамамі. Спектральны аналіз ўжываецца вельмі шырока. Няма ні адной вобласці чалавечай дзейнасці, дзе б ні выкарыстоўвалася разгляданая намі з'ява. Вось некаторыя з іх:

1. У самым пачатку артыкула мы казалі аб смартфонах. Крамянёвыя паўправадніковыя элементы сталі такімі маленькімі, у тым ліку і дзякуючы даследаванням крышталяў з дапамогай спектральнага аналізу.
2. Пры любых здарэннях менавіта унікальнасць электроннай абалонкі кожнага атама дазваляе вызначыць, якую кулю выпусцілі першай, чаму зламаўся каркас машыны або зваліўся вежавы кран, а таксама якім атрутай атруціўся чалавек, і колькі часу ён прабыў у вадзе.
3. Медыцына выкарыстоўваецца спектральны аналіз у сваіх мэтах часцей за ўсё ў адносінах да вадкасцям цела, але бывае, што гэты метад прымяняецца і да тканін.
4. Далёкія галактыкі, аблокі касмічнага газу, планеты ў чужых зорак - усё гэта вывучаюць з дапамогай святла і яго разлажэння ў спектры. Навукоўцы даведаюцца склад гэтых аб'ектаў, іх хуткасць і працэсы, якія ў іх адбываюцца дзякуючы таму, што могуць зафіксаваць і прааналізаваць фатоны, якія яны выпускаюць або паглынаюць.

электрамагнітная шкала

Больш за ўсё мы ўдзяляем увагі відаць святла. Але на электрамагнітнай шкале гэты адрэзак вельмі маленькі. Тое, што чалавечае вока не фіксуе, значна шырэй сямі колераў вясёлкі. Выпускае і паглынацца могуць не толькі бачныя фатоны (λ = 380-780 нанаметраў), але і іншыя кванты. Электрамагнітная шкала ўключае:

1. Радыёхвалі (λ = 100 кіламетраў) перадаюць інфармацыю на далёкія адлегласці. З-за вельмі вялікай даўжыні хвалі іх энергія вельмі нізкая. Яны вельмі лёгка паглынаюцца.
2. Терагерцового хвалі (λ = 1-0,1 міліметраў) да нядаўняга часу былі цяжкадаступныя. Раней іх дыяпазон ўключалі ў радыёхвалі, але цяпер гэты адрэзак электрамагнітнай шкалы вылучаецца ў асобны клас.
3. Інфрачырвоныя хвалі (λ = 0,74-2000 мікраметраў) пераносяць цяпло. Вогнішча, лямпа, Сонца выпраменьваюць іх у лішку.

Бачнае святло мы разгледзелі, таму больш падрабязна аб ім пісаць не будзем.

Ультрафіялетавыя хвалі (λ = 10-400 нанаметраў) смяротныя для чалавека ў лішку, але і іх недахоп выклікае незваротныя працэсы. Наша цэнтральная зорка дае вельмі шмат ультрафіялету, а атмасфера Зямлі затрымлівае большую яго частку.

Рэнтгенаўскія і гама-кванты (λ <10 нанаметраў) маюць агульны дыяпазон, але адрозніваюцца па паходжанні. Каб атрымаць іх, трэба разагнаць электроны або атамы да вельмі высокіх хуткасцяў. Лабараторыі людзей здольныя на гэта, але ў прыродзе такія энергіі сустракаюцца толькі ўнутры зорак ці пры сутыкненнях масіўных аб'ектаў. Прыкладам апошняга працэсу могуць служыць выбухі звышновых, паглынанне зоркі чорнай дзіркай, сустрэча двух галактык або галактыкі і масіўнага аблокі газу.

Электрамагнітныя хвалі ўсіх дыяпазонаў, а менавіта іх здольнасць выпускае і паглынацца атамамі, прымяняюцца ў чалавечай дзейнасці. Па-за залежнасці ад таго, што чытач выбраў (або толькі збіраецца абраць) у якасці сваёй жыццёвай сьцежкі, ён сапраўды сутыкнецца з вынікамі спектральных даследаванняў. Прадавец карыстаецца сучасным плацежным тэрміналам толькі таму, што калісьці навуковец даследаваў ўласцівасці рэчываў і стварыў мікрачып. Аграрый угнойвае поля і збірае зараз вялікія ўраджаі толькі таму, што калісьці геолаг выявіў фосфар ў кавалку руды. Дзяўчына носіць яркія ўборы толькі дзякуючы вынаходству стойкіх хімічных фарбавальнікаў.

Але калі чытач жадае звязаць сваё жыццё з светам навукі, то давядзецца вывучыць значна больш, чым асноўныя паняцці працэсу выпраменьвання і паглынання квантаў святла ў атамах.