Līniju spektri – tā varbūt ir viena no svarīgākajām tēmām, kas tiek aplūkota 8. klases fizikas kursā optikas sadaļā. Tas ir svarīgi, jo ļauj izprast atoma uzbūvi, kā arī izmantot šīs zināšanas mūsu Visuma pētīšanai. Apskatīsim šo jautājumu rakstā.
Elektromagnētiskā spektra jēdziens
Vispirms paskaidrosim, par ko būs raksts. Ikviens zina, ka saules gaisma, ko mēs redzam, ir elektromagnētiskie viļņi. Jebkuru vilni raksturo divi svarīgi parametri - tā garums un frekvence (tā trešā, ne mazāk svarīga īpašība ir amplitūda, kas atspoguļo starojuma intensitāti).
Elektromagnētiskā starojuma gadījumā abi parametri ir saistīti šādā vienādojumā: λν=c, kur grieķu burti λ (lambda) un ν (nu) parasti apzīmē attiecīgi viļņa garumu un tā frekvenci, un c ir gaismas ātrums. Tā kā pēdējā ir nemainīga vakuuma vērtība, elektromagnētisko viļņu garums un frekvence ir apgriezti proporcionāli viens otram.
Fizikā ir pieņemts elektromagnētiskais spektrsnosauciet dažādu viļņu garumu (frekvenču) kopu, ko izstaro attiecīgais starojuma avots. Ja viela absorbē, bet neizdala viļņus, tad runā par adsorbcijas vai absorbcijas spektru.
Kas ir elektromagnētiskie spektri?
Kopumā to klasifikācijai ir divi kritēriji:
- Pēc starojuma frekvences.
- Atbilstoši frekvences sadales metodei.
Šajā rakstā mēs nekavēsimies pie 1. klasifikācijas veida apsvērumiem. Šeit mēs tikai īsumā pateiksim, ka pastāv augstas frekvences elektromagnētiskie viļņi, ko sauc par gamma starojumu (>1020 Hz) un rentgena stariem (1018 -10 19 Hz). Ultravioletais spektrs jau ir zemākas frekvences (1015-1017 Hz). Redzamais jeb optiskais spektrs atrodas frekvenču diapazonā 1014 Hz, kas atbilst garumu kopumam no 400 µm līdz 700 µm (daži cilvēki spēj redzēt nedaudz "plašāk"): no 380 µm līdz 780 µm). Zemākas frekvences atbilst infrasarkanajam vai termiskajam spektram, kā arī radioviļņiem, kas jau var būt vairākus kilometrus gari.
Vēlāk rakstā mēs sīkāk aplūkosim 2. klasifikācijas veidu, kas ir norādīts augstāk esošajā sarakstā.
Līnijas un nepārtrauktas emisijas spektri
Pilnīgi jebkura viela, ja tā tiek uzkarsēta, izstaros elektromagnētiskos viļņus. Kādas tās būs frekvences un viļņu garumi? Atbilde uz šo jautājumu ir atkarīga no pētāmās vielas agregācijas stāvokļa.
Šķidrums un cietas vielas izstaro, kā likums, nepārtrauktu frekvenču kopumu, tas ir, atšķirība starp tām ir tik maza, ka mēs varam runāt par nepārtrauktu starojuma spektru. Savukārt, ja atomgāze ar zemu spiedienu tiek uzkarsēta, tā sāks "svīst", izstarojot stingri noteiktus viļņu garumus. Ja pēdējie ir izstrādāti uz fotofilmas, tad tās būs šauras līnijas, no kurām katra ir atbildīga par noteiktu frekvenci (viļņa garumu). Tāpēc šāda veida starojumu sauca par līnijas emisijas spektru.
Starp līniju un nepārtrauktu ir starpposma spektra tips, kas parasti izstaro molekulāro, nevis atomu gāzi. Šis veids ir izolētas joslas, no kurām katra, detalizēti aplūkojot, sastāv no atsevišķām šaurām līnijām.
Līnijas absorbcijas spektrs
Viss, kas tika teikts iepriekšējā punktā, attiecās uz matērijas viļņu starojumu. Bet tai ir arī absorbcija. Veiksim parasto eksperimentu: ņemsim auksti izlādētu atomgāzi (piemēram, argonu vai neonu) un ļausim tai iziet cauri b altai gaismai no kvēlspuldzes. Pēc tam mēs analizējam gaismas plūsmu, kas iet caur gāzi. Izrādās, ja šo plūsmu sadala atsevišķās frekvencēs (to var izdarīt, izmantojot prizmu), tad novērotajā nepārtrauktajā spektrā parādās melnas joslas, kas norāda, ka šīs frekvences absorbēja gāze. Šajā gadījumā runā par līniju absorbcijas spektru.
XIX gadsimta vidū. Vācu zinātnieks GustavsKirhhofs atklāja ļoti interesantu īpašību: viņš pamanīja, ka vietas, kur nepārtrauktā spektrā parādās melnās līnijas, precīzi atbilst konkrētās vielas starojuma frekvencēm. Pašlaik šo līdzekli sauc par Kirhhofa likumu.
Balmera, Limana un Pašena sērija
Kopš 19. gadsimta beigām fiziķi visā pasaulē ir centušies saprast, kas ir starojuma līniju spektri. Tika konstatēts, ka katram noteiktā ķīmiskā elementa atomam jebkuros apstākļos ir vienāda izstarojuma spēja, tas ir, tas izstaro tikai noteiktas frekvences elektromagnētiskos viļņus.
Pirmos detalizētos pētījumus par šo jautājumu veica Šveices fiziķis Balmers. Savos eksperimentos viņš izmantoja līdz augstām temperatūrām sakarsētu ūdeņraža gāzi. Tā kā ūdeņraža atoms ir vienkāršākais starp visiem zināmajiem ķīmiskajiem elementiem, visvieglāk ir izpētīt tā starojuma spektra īpašības. Balmers ieguva pārsteidzošu rezultātu, ko viņš pierakstīja kā formulu:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Šeit λ ir izstarotā viļņa garums, RH - kāda nemainīga vērtība, kas ūdeņradim ir vienāda ar 1, 097107 m -1, n ir vesels skaitlis, sākot no 3, t.i., 3, 4, 5 utt.
Visi garumi λ, kas iegūti no šīs formulas, atrodas cilvēkiem redzamajā optiskajā spektrā. Šo ūdeņraža λ vērtību sēriju sauc par spektruBalmer.
Pēc tam, izmantojot atbilstošo aprīkojumu, amerikāņu zinātnieks Teodors Limans atklāja ultravioleto ūdeņraža spektru, ko viņš aprakstīja ar formulu, kas līdzīga Balmeram:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Beidzot cits vācu fiziķis Frīdrihs Pašens ieguva formulu ūdeņraža emisijai infrasarkanajā reģionā:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Tomēr šīs formulas varēja izskaidrot tikai kvantu mehānikas attīstība 20. gadsimta 20. gados.
Ruterfords, Bors un atomu modelis
20. gadsimta pirmajā desmitgadē Ernests Raterfords (Jaunzēlandes izcelsmes britu fiziķis) veica daudzus eksperimentus, lai pētītu dažādu ķīmisko elementu radioaktivitāti. Pateicoties šiem pētījumiem, tapa pirmais atoma modelis. Rezerfords uzskatīja, ka šis matērijas "grauds" sastāv no elektriski pozitīva kodola un negatīviem elektroniem, kas rotē pa tā orbītām. Kulona spēki izskaidro, kāpēc atoms "nesabrūk", un centrbēdzes spēki, kas iedarbojas uz elektroniem, ir iemesls, kāpēc pēdējie neietilpst kodolā.
Šajā modelī viss šķiet loģiski, izņemot vienu bet. Fakts ir tāds, ka, pārvietojoties pa līknes trajektoriju, jebkurai uzlādētai daļiņai ir jāizstaro elektromagnētiskie viļņi. Bet stabila atoma gadījumā šis efekts netiek novērots. Tad izrādās, ka pats modelis ir nepareizs?
Tajā tika veikti nepieciešamie grozījumivēl viens fiziķis ir dānis Nīls Bors. Šie grozījumi tagad ir zināmi kā viņa postulāti. Bors Razerforda modelī ieviesa divus priekšlikumus:
- elektroni pārvietojas pa stacionārām atoma orbītām, kamēr tie neizstaro un neuzsūc fotonus;
- radiācijas (absorbcijas) process notiek tikai tad, kad elektrons pārvietojas no vienas orbītas uz otru.
Kas ir stacionārās Bora orbītas, mēs apskatīsim nākamajā rindkopā.
Enerģijas līmeņu kvantifikācija
Elektronu stacionārās orbītas atomā, par ko Bors vispirms runāja, ir šī daļiņu viļņa stabili kvantu stāvokļi. Šos stāvokļus raksturo noteikta enerģija. Pēdējais nozīmē, ka elektrons atomā atrodas kādā enerģētiskā "akā". Viņš var nokļūt citā "bedrē", ja saņem papildu enerģiju no ārpuses fotona veidā.
Ūdeņraža absorbcijas un emisijas spektros, kuru formulas ir norādītas iepriekš, var redzēt, ka pirmais vārds iekavās ir skaitlis formā 1/m2, kur m=1, 2, 3.. ir vesels skaitlis. Tas atspoguļo stacionārās orbītas skaitu, uz kuru elektrons pāriet no augstāka enerģijas līmeņa n.
Kā viņi pēta spektrus redzamajā diapazonā?
Iepriekš jau tika teikts, ka šim nolūkam tiek izmantotas stikla prizmas. Pirmo reizi to izdarīja Īzaks Ņūtons 1666. gadā, kad viņš redzamo gaismu sadalīja varavīksnes krāsu komplektā. Iemesls tam,Šis efekts ir novērojams refrakcijas indeksa atkarībā no viļņa garuma. Piemēram, zilā gaisma (īsie viļņi) tiek lauzta spēcīgāk nekā sarkanā gaisma (garie viļņi).
Ņemiet vērā, ka vispārīgā gadījumā, kad elektromagnētisko viļņu stars pārvietojas jebkurā materiālā vidē, šī stara augstfrekvences komponenti vienmēr tiek lauzti un izkliedēti spēcīgāk nekā zemfrekvences. Lielisks piemērs ir debesu zilā krāsa.
Lēcu optika un redzamais spektrs
Strādājot ar lēcām, bieži tiek izmantota saules gaisma. Tā kā tas ir nepārtraukts spektrs, izejot cauri objektīvam, tā frekvences tiek lauztas atšķirīgi. Tā rezultātā optiskā ierīce nespēj savākt visu gaismu vienā punktā, un parādās zaigojoši nokrāsas. Šo efektu sauc par hromatisko aberāciju.
Norādītā lēcu optikas problēma ir daļēji atrisināta, izmantojot optisko stiklu kombināciju atbilstošos instrumentos (mikroskopos, teleskopos).
