Φάσματα γραμμής - αυτό είναι ίσως ένα από τα σημαντικά θέματα που εξετάζονται στο μάθημα της φυσικής της 8ης τάξης στην ενότητα της οπτικής. Είναι σημαντικό γιατί μας επιτρέπει να κατανοήσουμε την ατομική δομή, καθώς και να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη γνώση για να μελετήσουμε το Σύμπαν μας. Ας εξετάσουμε αυτό το ζήτημα στο άρθρο.
Η έννοια των ηλεκτρομαγνητικών φασμάτων
Αρχικά, ας εξηγήσουμε τι θα αφορά το άρθρο. Όλοι γνωρίζουν ότι το ηλιακό φως που βλέπουμε είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Κάθε κύμα χαρακτηρίζεται από δύο σημαντικές παραμέτρους - το μήκος και τη συχνότητά του (η τρίτη, όχι λιγότερο σημαντική ιδιότητά του είναι το πλάτος, το οποίο αντανακλά την ένταση της ακτινοβολίας).
Στην περίπτωση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, και οι δύο παράμετροι σχετίζονται με την ακόλουθη εξίσωση: λν=c, όπου τα ελληνικά γράμματα λ (λάμδα) και ν (nu) συνήθως δηλώνουν το μήκος κύματος και τη συχνότητά του, αντίστοιχα, και c είναι η ταχύτητα του φωτός. Δεδομένου ότι το τελευταίο είναι μια σταθερή τιμή για το κενό, το μήκος και η συχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι αντιστρόφως ανάλογα μεταξύ τους.
Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα στη φυσική είναι αποδεκτόονομάστε το σύνολο των διαφορετικών μηκών κύματος (συχνότητες) που εκπέμπονται από την αντίστοιχη πηγή ακτινοβολίας. Εάν η ουσία απορροφά, αλλά δεν εκπέμπει κύματα, τότε μιλάμε για φάσμα προσρόφησης ή απορρόφησης.
Τι είναι τα ηλεκτρομαγνητικά φάσματα;
Γενικά, υπάρχουν δύο κριτήρια για την ταξινόμησή τους:
- Με συχνότητα ακτινοβολίας.
- Σύμφωνα με τη μέθοδο κατανομής συχνότητας.
Δεν θα σταθούμε στην εξέταση του 1ου τύπου ταξινόμησης σε αυτό το άρθρο. Εδώ θα πούμε μόνο εν συντομία ότι υπάρχουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα υψηλών συχνοτήτων, τα οποία ονομάζονται ακτινοβολία γάμμα (>1020 Hz) και ακτίνες Χ (1018 -10 19 Hz). Το υπεριώδες φάσμα είναι ήδη χαμηλότερες συχνότητες (1015-1017 Hz). Το ορατό ή οπτικό φάσμα βρίσκεται στο εύρος συχνοτήτων 1014 Hz, το οποίο αντιστοιχεί σε ένα σύνολο μηκών από 400 μm έως 700 μm (μερικοί άνθρωποι μπορούν να δουν λίγο "πλατύτερα": από 380 µm έως 780 µm). Οι χαμηλότερες συχνότητες αντιστοιχούν στο υπέρυθρο ή θερμικό φάσμα, καθώς και στα ραδιοκύματα, τα οποία μπορεί ήδη να έχουν μήκος αρκετά χιλιόμετρα.
Αργότερα στο άρθρο, θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στον 2ο τύπο ταξινόμησης, ο οποίος σημειώνεται στην παραπάνω λίστα.
Φάσματα γραμμής και συνεχούς εκπομπής
Απολύτως οποιαδήποτε ουσία, εάν θερμανθεί, θα εκπέμψει ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τι συχνότητες και τι μήκη κύματος θα είναι; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα εξαρτάται από την κατάσταση συσσωμάτωσης της υπό μελέτη ουσίας.
Το υγρό και τα στερεά εκπέμπουν, κατά κανόνα, ένα συνεχές σύνολο συχνοτήτων, δηλαδή η διαφορά μεταξύ τους είναι τόσο μικρή που μπορούμε να μιλάμε για ένα συνεχές φάσμα ακτινοβολίας. Με τη σειρά του, εάν ένα ατομικό αέριο με χαμηλές πιέσεις θερμανθεί, θα αρχίσει να «λάμπει», εκπέμποντας αυστηρά καθορισμένα μήκη κύματος. Εάν τα τελευταία αναπτυχθούν σε φωτογραφικό φιλμ, τότε θα είναι στενές γραμμές, καθεμία από τις οποίες είναι υπεύθυνη για μια συγκεκριμένη συχνότητα (μήκος κύματος). Επομένως, αυτός ο τύπος ακτινοβολίας ονομάστηκε φάσμα εκπομπής γραμμής.
Μεταξύ γραμμής και συνεχούς υπάρχει ένας ενδιάμεσος τύπος φάσματος, το οποίο συνήθως εκπέμπει ένα μοριακό και όχι ένα ατομικό αέριο. Αυτός ο τύπος είναι απομονωμένες ζώνες, καθεμία από τις οποίες, όταν εξεταστεί λεπτομερώς, αποτελείται από ξεχωριστές στενές γραμμές.
Φάσμα απορρόφησης γραμμής
Όλα όσα ειπώθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο αναφέρονταν στην ακτινοβολία των κυμάτων από την ύλη. Έχει όμως και απορροφητικότητα. Ας πραγματοποιήσουμε το συνηθισμένο πείραμα: ας πάρουμε ένα ψυχρό ατομικό αέριο (για παράδειγμα, αργό ή νέον) και αφήστε το λευκό φως από μια λάμπα πυρακτώσεως να περάσει μέσα από αυτό. Μετά από αυτό, αναλύουμε τη ροή φωτός που διέρχεται από το αέριο. Αποδεικνύεται ότι εάν αυτή η ροή αποσυντεθεί σε μεμονωμένες συχνότητες (αυτό μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας ένα πρίσμα), τότε εμφανίζονται μαύρες ζώνες στο παρατηρούμενο συνεχές φάσμα, οι οποίες δείχνουν ότι αυτές οι συχνότητες απορροφήθηκαν από το αέριο. Σε αυτήν την περίπτωση, μιλάμε για φάσμα απορρόφησης γραμμής.
Στα μέσα του XIX αιώνα. Γερμανός επιστήμονας ονόματι ΓκούσταβΟ Kirchhoff ανακάλυψε μια πολύ ενδιαφέρουσα ιδιότητα: παρατήρησε ότι τα σημεία όπου εμφανίζονται μαύρες γραμμές στο συνεχές φάσμα αντιστοιχούν ακριβώς στις συχνότητες της ακτινοβολίας μιας δεδομένης ουσίας. Επί του παρόντος, αυτό το χαρακτηριστικό ονομάζεται νόμος του Kirchhoff.
Σειρά Balmer, Liman and Pashen
Από τα τέλη του 19ου αιώνα, οι φυσικοί σε όλο τον κόσμο προσπάθησαν να καταλάβουν ποια είναι τα γραμμικά φάσματα της ακτινοβολίας. Διαπιστώθηκε ότι κάθε άτομο ενός δεδομένου χημικού στοιχείου υπό οποιεσδήποτε συνθήκες εμφανίζει την ίδια ικανότητα εκπομπής, δηλαδή εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα μόνο συγκεκριμένων συχνοτήτων.
Οι πρώτες λεπτομερείς μελέτες αυτού του ζητήματος έγιναν από τον Ελβετό φυσικό Balmer. Στα πειράματά του, χρησιμοποίησε αέριο υδρογόνο θερμαινόμενο σε υψηλές θερμοκρασίες. Δεδομένου ότι το άτομο υδρογόνου είναι το απλούστερο από όλα τα γνωστά χημικά στοιχεία, είναι ευκολότερο να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά του φάσματος ακτινοβολίας σε αυτό. Ο Balmer είχε ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα, το οποίο έγραψε ως τον ακόλουθο τύπο:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Εδώ λ είναι το μήκος του εκπεμπόμενου κύματος, RH - κάποια σταθερή τιμή, η οποία για το υδρογόνο είναι ίση με 1, 097107 m -1, το n είναι ένας ακέραιος αριθμός που ξεκινά από το 3, δηλαδή 3, 4, 5 κ.λπ.
Όλα τα μήκη λ, που λαμβάνονται από αυτόν τον τύπο, βρίσκονται εντός του οπτικού φάσματος που είναι ορατό στον άνθρωπο. Αυτή η σειρά τιμών λ για το υδρογόνο ονομάζεται φάσμαBalmer.
Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τον κατάλληλο εξοπλισμό, ο Αμερικανός επιστήμονας Theodore Liman ανακάλυψε το υπεριώδες φάσμα του υδρογόνου, το οποίο περιέγραψε με μια φόρμουλα παρόμοια με του Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Τέλος, ένας άλλος Γερμανός φυσικός, ο Friedrich Paschen, έλαβε έναν τύπο για την εκπομπή υδρογόνου στην υπέρυθρη περιοχή:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Ωστόσο, μόνο η ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής στη δεκαετία του 1920 μπορούσε να εξηγήσει αυτούς τους τύπους.
Rutherford, Bohr και το ατομικό μοντέλο
Την πρώτη δεκαετία του 20ου αιώνα, ο Ernest Rutherford (Βρετανός φυσικός με καταγωγή από τη Νέα Ζηλανδία) διεξήγαγε πολλά πειράματα για να μελετήσει τη ραδιενέργεια διαφόρων χημικών στοιχείων. Χάρη σε αυτές τις μελέτες, γεννήθηκε το πρώτο μοντέλο του ατόμου. Ο Ράδερφορντ πίστευε ότι αυτός ο «κόκκος» ύλης αποτελείται από έναν ηλεκτρικά θετικό πυρήνα και αρνητικά ηλεκτρόνια που περιστρέφονται στις τροχιές του. Οι δυνάμεις Coulomb εξηγούν γιατί το άτομο «δεν καταρρέει» και οι φυγόκεντρες δυνάμεις που δρουν στα ηλεκτρόνια είναι ο λόγος για τον οποίο τα τελευταία δεν πέφτουν στον πυρήνα.
Όλα φαίνονται να είναι λογικά σε αυτό το μοντέλο, εκτός από ένα αλλά. Το γεγονός είναι ότι όταν κινείται κατά μήκος μιας καμπυλόγραμμης τροχιάς, οποιοδήποτε φορτισμένο σωματίδιο πρέπει να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Αλλά στην περίπτωση ενός σταθερού ατόμου, αυτό το φαινόμενο δεν παρατηρείται. Τότε αποδεικνύεται ότι το ίδιο το μοντέλο είναι λάθος;
Έγιναν οι απαραίτητες τροποποιήσειςένας άλλος φυσικός είναι ο Δανός Niels Bohr. Αυτές οι τροποποιήσεις είναι πλέον γνωστές ως αξιώματά του. Ο Bohr εισήγαγε δύο προτάσεις στο μοντέλο του Rutherford:
- ηλεκτρόνια κινούνται σε σταθερές τροχιές σε ένα άτομο, ενώ δεν εκπέμπουν ούτε απορροφούν φωτόνια.
- η διαδικασία της ακτινοβολίας (απορρόφησης) συμβαίνει μόνο όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από τη μια τροχιά στην άλλη.
Τι είναι οι σταθερές τροχιές Bohr, θα εξετάσουμε στην επόμενη παράγραφο.
Κβαντισμός των επιπέδων ενέργειας
Οι σταθερές τροχιές ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο, για τις οποίες μίλησε για πρώτη φορά ο Bohr, είναι σταθερές κβαντικές καταστάσεις αυτού του σωματιδιακού κύματος. Αυτές οι καταστάσεις χαρακτηρίζονται από μια ορισμένη ενέργεια. Το τελευταίο σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο στο άτομο βρίσκεται σε κάποια ενέργεια «πηγάδι». Μπορεί να μπει σε άλλο «λάκκο» αν λάβει πρόσθετη ενέργεια από το εξωτερικό με τη μορφή φωτονίου.
Στα φάσματα γραμμής απορρόφησης και εκπομπής για το υδρογόνο, οι τύποι των οποίων δίνονται παραπάνω, μπορείτε να δείτε ότι ο πρώτος όρος σε αγκύλες είναι ένας αριθμός της μορφής 1/m2, όπου m=1, 2, 3.. είναι ακέραιος αριθμός. Αντανακλά τον αριθμό της ακίνητης τροχιάς στην οποία περνά το ηλεκτρόνιο από ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο n.
Πώς μελετούν τα φάσματα στο ορατό εύρος;
Έχει ήδη ειπωθεί παραπάνω ότι χρησιμοποιούνται γυάλινα πρίσματα για αυτό. Αυτό έγινε για πρώτη φορά από τον Ισαάκ Νεύτωνα το 1666, όταν αποσυνέθεσε το ορατό φως σε ένα σύνολο χρωμάτων ουράνιου τόξου. Ο λόγος γιαπου παρατηρείται αυτή η επίδραση έγκειται στην εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από το μήκος κύματος. Για παράδειγμα, το μπλε φως (μικρά κύματα) διαθλάται πιο έντονα από το κόκκινο φως (μακριά κύματα).
Σημειώστε ότι στη γενική περίπτωση, όταν μια δέσμη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων κινείται σε οποιοδήποτε υλικό μέσο, τα συστατικά υψηλής συχνότητας αυτής της δέσμης πάντα διαθλώνται και διασκορπίζονται πιο έντονα από τα χαμηλής συχνότητας. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το μπλε χρώμα του ουρανού.
Οπτικά φακού και ορατό φάσμα
Όταν εργάζεστε με φακούς, χρησιμοποιείται συχνά το ηλιακό φως. Δεδομένου ότι είναι ένα συνεχές φάσμα, όταν διέρχεται από τον φακό, οι συχνότητές του διαθλώνται διαφορετικά. Ως αποτέλεσμα, η οπτική συσκευή δεν μπορεί να συλλέξει όλο το φως σε ένα σημείο και εμφανίζονται ιριδίζουσες αποχρώσεις. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως χρωματική εκτροπή.
Το υποδεικνυόμενο πρόβλημα των οπτικών φακών επιλύεται εν μέρει με τη χρήση συνδυασμού οπτικών γυαλιών σε κατάλληλα όργανα (μικροσκόπια, τηλεσκόπια).
