Čárová spektra – to je možná jedno z důležitých témat, o kterých se uvažuje v kurzu fyziky v 8. třídě v části optika. Je to důležité, protože nám umožňuje porozumět atomové struktuře a také použít tyto znalosti ke studiu našeho vesmíru. Pojďme se na tento problém v článku podívat.
Koncept elektromagnetických spekter
Nejprve si vysvětlíme, o čem článek bude. Každý ví, že sluneční světlo, které vidíme, jsou elektromagnetické vlny. Každá vlna se vyznačuje dvěma důležitými parametry - její délkou a frekvencí (její třetí, neméně důležitou vlastností je amplituda, která odráží intenzitu záření).
V případě elektromagnetického záření spolu oba parametry souvisí v následující rovnici: λν=c, kde řecká písmena λ (lambda) a ν (nu) obvykle označují vlnovou délku a její frekvenci, resp. a c je rychlost světla. Protože toto je konstantní hodnota pro vakuum, délka a frekvence elektromagnetických vln jsou navzájem nepřímo úměrné.
Elektromagnetické spektrum ve fyzice je akceptovánopojmenujte soubor různých vlnových délek (frekvencí), které jsou vyzařovány příslušným zdrojem záření. Pokud látka absorbuje, ale nevyzařuje vlny, pak se mluví o adsorpčním nebo absorpčním spektru.
Co jsou elektromagnetická spektra?
Obecně existují dvě kritéria pro jejich klasifikaci:
- Podle frekvence záření.
- Podle způsobu distribuce frekvence.
V tomto článku se nebudeme zdržovat úvahami o 1. typu klasifikace. Zde jen krátce řekneme, že existují elektromagnetické vlny vysokých frekvencí, které se nazývají gama záření (>1020 Hz) a rentgenové záření (1018 -10 19 Hz). Ultrafialové spektrum je již na nižších frekvencích (1015-1017 Hz). Viditelné neboli optické spektrum leží ve frekvenčním rozsahu 1014 Hz, což odpovídá sadě délek od 400 µm do 700 µm (někteří lidé jsou schopni vidět trochu „širší“: od 380 um do 780 um). Nižší frekvence odpovídají infračervenému nebo tepelnému spektru a také rádiovým vlnám, které mohou být již několik kilometrů dlouhé.
Později v článku se blíže podíváme na 2. typ klasifikace, který je uveden ve výše uvedeném seznamu.
Čárová a spojitá emisní spektra
Absolutně jakákoliv látka bude při zahřívání vydávat elektromagnetické vlny. Jaké budou frekvence a vlnové délky? Odpověď na tuto otázku závisí na stavu agregace zkoumané látky.
Kapalina a pevná látka vyzařují zpravidla spojitou sadu frekvencí, to znamená, že rozdíl mezi nimi je tak malý, že můžeme mluvit o spojitém spektru záření. Na druhé straně, pokud je atomový plyn s nízkým tlakem zahřátý, začne „zářit“a emitovat přesně definované vlnové délky. Pokud jsou ty druhé vyvolány na fotografickém filmu, pak to budou úzké čáry, z nichž každá je zodpovědná za určitou frekvenci (vlnovou délku). Proto byl tento typ záření nazýván čárovým emisním spektrem.
Mezi čárou a spojitým existuje střední typ spektra, které obvykle vyzařuje spíše molekulární než atomový plyn. Tento typ jsou izolované pásy, z nichž každý se při podrobném zkoumání skládá ze samostatných úzkých čar.
Čárové absorpční spektrum
Vše, co bylo řečeno v předchozím odstavci, se týkalo vyzařování vln hmotou. Má ale také savost. Proveďme obvyklý pokus: vezměme studený vybitý atomový plyn (například argon nebo neon) a nechejme jím procházet bílé světlo z žárovky. Poté analyzujeme světelný tok procházející plynem. Ukazuje se, že pokud se tento tok rozloží na jednotlivé frekvence (to lze provést pomocí hranolu), pak se v pozorovaném spojitém spektru objeví černé pásy, které naznačují, že tyto frekvence byly plynem pohlceny. V tomto případě se mluví o čárovém absorpčním spektru.
V polovině 19. století. Německý vědec jménem GustavKirchhoff objevil velmi zajímavou vlastnost: všiml si, že místa, kde se na spojitém spektru objevují černé čáry, přesně odpovídají frekvencím záření dané látky. V současné době se tato funkce nazývá Kirchhoffův zákon.
Série Balmer, Liman a Pashen
Od konce 19. století se fyzici po celém světě snažili pochopit, co jsou čárová spektra záření. Bylo zjištěno, že každý atom daného chemického prvku za jakýchkoli podmínek vykazuje stejnou emisivitu, to znamená, že vyzařuje elektromagnetické vlny pouze o určitých frekvencích.
První podrobné studie této problematiky provedl švýcarský fyzik Balmer. Ve svých experimentech používal plynný vodík zahřátý na vysoké teploty. Vzhledem k tomu, že atom vodíku je nejjednodušší ze všech známých chemických prvků, je nejjednodušší studovat vlastnosti spektra záření na něm. Balmer získal úžasný výsledek, který si zapsal jako následující vzorec:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Zde λ je délka emitované vlny, RH - nějaká konstantní hodnota, která se pro vodík rovná 1, 097107 m -1, n je celé číslo začínající od 3, tj. 3, 4, 5 atd.
Všechny délky λ, které jsou získány z tohoto vzorce, leží v optickém spektru viditelném pro člověka. Tato řada hodnot λ pro vodík se nazývá spektrumBalmer.
Následně pomocí vhodného vybavení objevil americký vědec Theodore Liman ultrafialové vodíkové spektrum, které popsal vzorcem podobným Balmerovu:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Nakonec jiný německý fyzik Friedrich Paschen získal vzorec pro emisi vodíku v infračervené oblasti:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Nicméně pouze vývoj kvantové mechaniky ve 20. letech 20. století mohl vysvětlit tyto vzorce.
Rutherford, Bohr a atomový model
V prvním desetiletí 20. století provedl Ernest Rutherford (britský fyzik původem z Nového Zélandu) mnoho experimentů ke studiu radioaktivity různých chemických prvků. Díky těmto studiím se zrodil první model atomu. Rutherford věřil, že toto „zrno“hmoty sestává z elektricky kladného jádra a záporných elektronů rotujících na jeho drahách. Coulombovy síly vysvětlují, proč se atom „nerozpadne“, a odstředivé síly působící na elektrony jsou důvodem, proč elektrony nespadají do jádra.
V tomto modelu se zdá být vše logické, kromě jednoho ale. Faktem je, že při pohybu po křivočaré trajektorii musí jakákoli nabitá částice vyzařovat elektromagnetické vlny. Ale v případě stabilního atomu tento efekt pozorován není. Pak se ukáže, že samotný model je špatný?
Byly v něm provedeny nezbytné změnydalším fyzikem je Dán Niels Bohr. Tyto dodatky jsou nyní známé jako jeho postuláty. Bohr zavedl do Rutherfordova modelu dva návrhy:
- elektrony se pohybují po stacionárních drahách v atomu, ale nevyzařují ani neabsorbují fotony;
- proces záření (absorpce) nastává pouze tehdy, když se elektron pohybuje z jedné dráhy na druhou.
Co jsou stacionární Bohrovy oběžné dráhy, budeme zvažovat v dalším odstavci.
Kvantifikace úrovní energie
Stacionární dráhy elektronu v atomu, o kterých Bohr poprvé mluvil, jsou stabilní kvantové stavy této částicové vlny. Tyto stavy se vyznačují určitou energií. To druhé znamená, že elektron v atomu je v nějaké energetické „dobře“. Může se dostat do jiné „jámy“, pokud obdrží dodatečnou energii zvenčí ve formě fotonu.
V čárových absorpčních a emisních spektrech pro vodík, jejichž vzorce jsou uvedeny výše, vidíte, že první člen v závorce je číslo ve tvaru 1/m2, kde m=1, 2, 3.. je celé číslo. Odráží číslo stacionární dráhy, na kterou elektron přejde z vyšší energetické hladiny n.
Jak studují spektra ve viditelné oblasti?
Již výše bylo řečeno, že se k tomu používají skleněné hranoly. Poprvé to udělal Isaac Newton v roce 1666, když rozložil viditelné světlo na sadu barev duhy. Důvod prou kterého je tento efekt pozorován, spočívá v závislosti indexu lomu na vlnové délce. Například modré světlo (krátké vlny) se láme silněji než červené světlo (dlouhé vlny).
Všimněte si, že v obecném případě, když se paprsek elektromagnetických vln pohybuje v jakémkoli hmotném médiu, vysokofrekvenční složky tohoto paprsku se vždy lámou a rozptylují silněji než nízkofrekvenční. Ukázkovým příkladem je modrá barva oblohy.
Optika čočky a viditelné spektrum
Při práci s čočkami se často využívá sluneční světlo. Jelikož se jedná o spojité spektrum, při průchodu čočkou se jeho frekvence různě lámou. V důsledku toho optické zařízení není schopno shromáždit veškeré světlo v jednom bodě a objevují se duhové odstíny. Tento efekt je známý jako chromatická aberace.
Naznačený problém optiky čoček je částečně vyřešen použitím kombinace optických skel ve vhodných přístrojích (mikroskopy, teleskopy).
