Line spectra - ito ay marahil ang isa sa mga mahahalagang paksa na isinasaalang-alang sa ika-8 baitang kurso sa pisika sa seksyon ng optika. Ito ay mahalaga dahil ito ay nagpapahintulot sa amin na maunawaan ang atomic na istraktura, pati na rin ang paggamit ng kaalamang ito upang pag-aralan ang ating Uniberso. Isaalang-alang natin ang isyung ito sa artikulo.
Ang konsepto ng electromagnetic spectra
Una sa lahat, ipaliwanag natin kung tungkol saan ang artikulo. Alam ng lahat na ang sikat ng araw na nakikita natin ay mga electromagnetic wave. Ang anumang wave ay nailalarawan sa pamamagitan ng dalawang mahalagang parameter - ang haba at dalas nito (ang pangatlo, hindi gaanong mahalagang katangian ay ang amplitude, na sumasalamin sa intensity ng radiation).
Sa kaso ng electromagnetic radiation, ang parehong mga parameter ay nauugnay sa sumusunod na equation: λν=c, kung saan ang mga letrang Greek na λ (lambda) at ν (nu) ay karaniwang tumutukoy sa wavelength at frequency nito, ayon sa pagkakabanggit, at c ay ang bilis ng liwanag. Dahil ang huli ay isang pare-parehong halaga para sa vacuum, ang haba at dalas ng mga electromagnetic wave ay inversely proportional sa isa't isa.
Tinatanggap ang electromagnetic spectrum sa physicspangalanan ang hanay ng iba't ibang wavelength (frequencies) na ibinubuga ng kaukulang pinagmulan ng radiation. Kung ang substance ay sumisipsip, ngunit hindi naglalabas ng mga alon, ang isa ay nagsasalita ng isang adsorption o absorption spectrum.
Ano ang electromagnetic spectra?
Sa pangkalahatan, mayroong dalawang pamantayan para sa kanilang pag-uuri:
- Ayon sa dalas ng radiation.
- Ayon sa paraan ng pamamahagi ng dalas.
Hindi namin tatalakayin ang unang uri ng pag-uuri sa artikulong ito. Dito ay maikli lamang nating sasabihin na may mga electromagnetic wave na may mataas na frequency, na tinatawag na gamma radiation (>1020 Hz) at X-ray (1018 -10 19 Hz). Mas mababang frequency na ang ultraviolet spectrum (1015-1017 Hz). Ang nakikita o optical spectrum ay nasa hanay ng dalas na 1014 Hz, na tumutugma sa isang hanay ng mga haba mula 400 µm hanggang 700 µm (ang ilang mga tao ay nakakakita ng medyo "mas malawak": mula 380 µm hanggang 780 µm). Ang mas mababang mga frequency ay tumutugma sa infrared o thermal spectrum, gayundin sa mga radio wave, na maaaring ilang kilometro na ang haba.
Mamaya sa artikulo, susuriin natin ang ikalawang uri ng pag-uuri, na nakasaad sa listahan sa itaas.
Line at tuloy-tuloy na emission spectra
Ganap na anumang substance, kung pinainit, ay maglalabas ng electromagnetic waves. Anong mga frequency at wavelength ang magiging mga ito? Ang sagot sa tanong na ito ay depende sa estado ng pagsasama-sama ng substance na pinag-aaralan.
Ang likido at mga solido ay naglalabas, bilang panuntunan, ng isang tuluy-tuloy na hanay ng mga frequency, iyon ay, ang pagkakaiba sa pagitan ng mga ito ay napakaliit na maaari nating pag-usapan ang tungkol sa isang tuluy-tuloy na spectrum ng radiation. Sa turn, kung ang isang atomic gas na may mababang presyon ay pinainit, ito ay magsisimulang "lumiwanag", na naglalabas ng mahigpit na tinukoy na mga wavelength. Kung ang huli ay binuo sa photographic film, kung gayon sila ay magiging makitid na mga linya, na ang bawat isa ay may pananagutan para sa isang tiyak na dalas (haba ng daluyong). Samakatuwid, ang ganitong uri ng radiation ay tinawag na line emission spectrum.
Sa pagitan ng linya at tuloy-tuloy ay mayroong intermediate na uri ng spectrum, na kadalasang naglalabas ng molekular sa halip na atomic gas. Ang uri na ito ay mga nakahiwalay na banda, na ang bawat isa, kung susuriin nang detalyado, ay binubuo ng magkahiwalay na makitid na linya.
Line absorption spectrum
Ang lahat ng sinabi sa nakaraang talata ay tumutukoy sa radiation ng mga alon sa pamamagitan ng bagay. Ngunit mayroon din itong absorbency. Isagawa natin ang karaniwang eksperimento: kumuha tayo ng malamig na discharged atomic gas (halimbawa, argon o neon) at hayaang dumaan dito ang puting liwanag mula sa maliwanag na lampara. Pagkatapos nito, sinusuri namin ang liwanag na pagkilos ng bagay na dumadaan sa gas. Lumalabas na kung ang flux na ito ay nabulok sa mga indibidwal na frequency (maaari itong gawin gamit ang isang prisma), pagkatapos ay lilitaw ang mga itim na banda sa naobserbahang tuloy-tuloy na spectrum, na nagpapahiwatig na ang mga frequency na ito ay nasisipsip ng gas. Sa kasong ito, ang isa ay nagsasalita ng isang line absorption spectrum.
Sa kalagitnaan ng XIX na siglo. German scientist na nagngangalang GustavNatuklasan ni Kirchhoff ang isang napaka-kagiliw-giliw na pag-aari: napansin niya na ang mga lugar kung saan lumilitaw ang mga itim na linya sa tuloy-tuloy na spectrum ay eksaktong tumutugma sa mga frequency ng radiation ng isang naibigay na sangkap. Sa kasalukuyan, ang feature na ito ay tinatawag na Kirchhoff's law.
serye ng Balmer, Liman at Pashen
Mula noong katapusan ng ika-19 na siglo, sinikap ng mga physicist sa buong mundo na maunawaan kung ano ang line spectra ng radiation. Napag-alaman na ang bawat atom ng isang partikular na elemento ng kemikal sa ilalim ng anumang mga kundisyon ay nagpapakita ng parehong emissivity, iyon ay, naglalabas ito ng mga electromagnetic wave ng mga partikular na frequency lamang.
Ang unang detalyadong pag-aaral ng isyung ito ay isinagawa ng Swiss physicist na si Balmer. Sa kanyang mga eksperimento, gumamit siya ng hydrogen gas na pinainit sa mataas na temperatura. Dahil ang hydrogen atom ay ang pinakasimple sa lahat ng kilalang elemento ng kemikal, ito ay pinakamadaling pag-aralan ang mga tampok ng radiation spectrum dito. Nakakuha si Balmer ng kamangha-manghang resulta, na isinulat niya bilang sumusunod na formula:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Narito ang λ ay ang haba ng ibinubuga na alon, RH - ilang pare-parehong halaga, na para sa hydrogen ay katumbas ng 1, 097107 m -1, ang n ay isang integer na nagsisimula sa 3, ibig sabihin, 3, 4, 5 atbp.
Lahat ng haba λ, na nakuha mula sa formula na ito, ay nasa loob ng optical spectrum na nakikita ng mga tao. Ang seryeng ito ng mga halaga ng λ para sa hydrogen ay tinatawag na spectrumBalmer.
Kasunod nito, gamit ang naaangkop na kagamitan, natuklasan ng American scientist na si Theodore Liman ang ultraviolet hydrogen spectrum, na inilarawan niya na may formula na katulad ng kay Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Sa wakas, ang isa pang German physicist, si Friedrich Paschen, ay nakakuha ng formula para sa paglabas ng hydrogen sa infrared na rehiyon:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Gayunpaman, tanging ang pagbuo ng quantum mechanics noong 1920s ang makapagpaliwanag sa mga formula na ito.
Rutherford, Bohr at ang atomic model
Sa unang dekada ng ika-20 siglo, si Ernest Rutherford (British physicist na pinanggalingan ng New Zealand) ay nagsagawa ng maraming eksperimento upang pag-aralan ang radioactivity ng iba't ibang elemento ng kemikal. Salamat sa mga pag-aaral na ito, ipinanganak ang unang modelo ng atom. Naniniwala si Rutherford na ang "butil" na ito ng bagay ay binubuo ng isang electrically positive nucleus at mga negatibong electron na umiikot sa mga orbit nito. Ipinapaliwanag ng mga puwersa ng Coulomb kung bakit "hindi nahuhulog" ang atom, at ang mga puwersang sentripugal na kumikilos sa mga electron ang dahilan kung bakit hindi nahuhulog ang huli sa nucleus.
Mukhang lohikal ang lahat sa modelong ito, maliban sa isa ngunit. Ang katotohanan ay na kapag gumagalaw sa isang curvilinear trajectory, ang anumang sisingilin na particle ay dapat magpalabas ng mga electromagnetic wave. Ngunit sa kaso ng isang matatag na atom, ang epektong ito ay hindi sinusunod. Pagkatapos ay lumalabas na ang modelo mismo ay mali?
Ang mga kinakailangang pagbabago ay ginawa ditoisa pang physicist ay ang Dane Niels Bohr. Ang mga susog na ito ay kilala na ngayon bilang kanyang mga postulate. Ipinakilala ni Bohr ang dalawang proposisyon sa modelo ni Rutherford:
- ang mga electron ay gumagalaw sa mga nakatigil na orbit sa isang atom, habang hindi sila naglalabas o sumisipsip ng mga photon;
- ang proseso ng radiation (absorption) ay nangyayari lamang kapag ang isang electron ay gumagalaw mula sa isang orbit patungo sa isa pa.
Ano ang mga nakatigil na orbit ng Bohr, isasaalang-alang natin sa susunod na talata.
Quantization ng mga antas ng enerhiya
Ang mga nakatigil na orbit ng isang electron sa isang atom, na unang binanggit ni Bohr, ay mga stable na quantum state ng particle-wave na ito. Ang mga estado na ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na enerhiya. Ang huli ay nangangahulugan na ang electron sa atom ay nasa ilang enerhiya na "well". Maaari siyang makapasok sa isa pang "hukay" kung makakatanggap siya ng karagdagang enerhiya mula sa labas sa anyo ng isang photon.
Sa line absorption at emission spectra para sa hydrogen, ang mga formula na ibinigay sa itaas, makikita mo na ang unang termino sa mga bracket ay isang numero ng anyong 1/m2, kung saan ang m=1, 2, 3.. ay isang integer. Sinasalamin nito ang bilang ng nakatigil na orbit kung saan dumadaan ang electron mula sa mas mataas na antas ng enerhiya n.
Paano nila pinag-aaralan ang spectra sa nakikitang hanay?
Nasabi na sa itaas na ang mga glass prism ay ginagamit para dito. Ito ay unang ginawa ni Isaac Newton noong 1666, nang mabulok niya ang nakikitang liwanag sa isang hanay ng mga kulay ng bahaghari. Ang dahilan para sakung saan ang epektong ito ay sinusunod ay nakasalalay sa pagtitiwala ng refractive index sa haba ng daluyong. Halimbawa, ang asul na liwanag (maiikling alon) ay mas malakas na na-refracte kaysa sa pulang ilaw (mahabang alon).
Tandaan na sa pangkalahatang kaso, kapag ang isang sinag ng electromagnetic wave ay gumagalaw sa anumang materyal na daluyan, ang mga high-frequency na bahagi ng sinag na ito ay palaging nire-refracte at nakakalat nang mas malakas kaysa sa mga low-frequency. Ang pangunahing halimbawa ay ang asul na kulay ng langit.
Lens optics at visible spectrum
Kapag nagtatrabaho sa mga lente, madalas na ginagamit ang sikat ng araw. Dahil ito ay isang tuluy-tuloy na spectrum, kapag dumadaan sa lens, ang mga frequency nito ay iba-iba ang refracted. Bilang isang resulta, ang optical device ay hindi makolekta ang lahat ng liwanag sa isang punto, at lumilitaw ang mga iridescent shade. Ang epektong ito ay kilala bilang chromatic aberration.
Ang ipinahiwatig na problema ng lens optics ay bahagyang nalutas sa pamamagitan ng paggamit ng kumbinasyon ng optical glass sa mga naaangkop na instrumento (microscope, telescope).
