Spektra garisan - ini mungkin salah satu topik penting yang dipertimbangkan dalam kursus fizik gred 8 dalam bahagian optik. Ia penting kerana ia membolehkan kita memahami struktur atom, serta menggunakan pengetahuan ini untuk mengkaji Alam Semesta kita. Mari kita pertimbangkan isu ini dalam artikel.
Konsep spektrum elektromagnet
Pertama sekali, mari jelaskan tentang artikel tersebut. Semua orang tahu bahawa cahaya matahari yang kita lihat adalah gelombang elektromagnet. Mana-mana gelombang dicirikan oleh dua parameter penting - panjang dan kekerapannya (sifat ketiga, tidak kurang pentingnya ialah amplitud, yang mencerminkan keamatan sinaran).
Dalam kes sinaran elektromagnet, kedua-dua parameter berkaitan dalam persamaan berikut: λν=c, di mana huruf Yunani λ (lambda) dan ν (nu) biasanya menandakan panjang gelombang dan frekuensinya, masing-masing, dan c ialah kelajuan cahaya. Oleh kerana yang terakhir ialah nilai malar untuk vakum, panjang dan kekerapan gelombang elektromagnet adalah berkadar songsang antara satu sama lain.
Spektrum elektromagnet dalam fizik diterimanamakan set panjang gelombang (frekuensi) berbeza yang dipancarkan oleh sumber sinaran yang sepadan. Jika bahan menyerap, tetapi tidak memancarkan gelombang, maka seseorang bercakap tentang spektrum penjerapan atau penyerapan.
Apakah itu spektrum elektromagnet?
Secara amnya, terdapat dua kriteria untuk klasifikasinya:
- Mengikut frekuensi sinaran.
- Mengikut kaedah pengagihan kekerapan.
Kami tidak akan memikirkan tentang jenis klasifikasi pertama dalam artikel ini. Di sini kami hanya akan secara ringkas mengatakan bahawa terdapat gelombang elektromagnet frekuensi tinggi, yang dipanggil sinaran gamma (>1020 Hz) dan X-ray (1018 -10 19 Hz). Spektrum ultraviolet sudah pun mempunyai frekuensi yang lebih rendah (1015-1017 Hz). Spektrum boleh dilihat atau optik terletak pada julat frekuensi 1014 Hz, yang sepadan dengan set panjang dari 400 µm hingga 700 µm (sesetengah orang dapat melihat sedikit "lebih luas": dari 380 µm hingga 780 µm). Frekuensi yang lebih rendah sepadan dengan spektrum inframerah atau terma, serta gelombang radio, yang sudah boleh mencapai beberapa kilometer panjangnya.
Kemudian dalam artikel, kita akan melihat dengan lebih dekat jenis klasifikasi ke-2, yang dinyatakan dalam senarai di atas.
Spektrum pelepasan garisan dan berterusan
Semestinya sebarang bahan, jika dipanaskan, akan mengeluarkan gelombang elektromagnet. Apakah frekuensi dan panjang gelombangnya? Jawapan kepada soalan ini bergantung pada keadaan pengagregatan bahan yang sedang dikaji.
Cecair dan pepejal mengeluarkan, sebagai peraturan, set frekuensi berterusan, iaitu, perbezaan di antara mereka adalah sangat kecil sehingga kita boleh bercakap tentang spektrum sinaran berterusan. Sebaliknya, jika gas atom yang mempunyai tekanan rendah dipanaskan, ia akan mula "bercahaya", memancarkan panjang gelombang yang ditetapkan dengan ketat. Jika yang terakhir dibangunkan pada filem fotografi, maka mereka akan menjadi garis sempit, setiap satunya bertanggungjawab untuk frekuensi tertentu (panjang gelombang). Oleh itu, jenis sinaran ini dipanggil spektrum pelepasan garis.
Di antara garis dan selanjar terdapat jenis spektrum pertengahan, yang biasanya memancarkan molekul dan bukannya gas atom. Jenis ini ialah jalur terpencil, yang setiap satunya, apabila diperiksa secara terperinci, terdiri daripada garisan sempit yang berasingan.
Spektrum serapan garis
Semua yang dinyatakan dalam perenggan sebelumnya merujuk kepada sinaran gelombang oleh jirim. Tetapi ia juga mempunyai daya serap. Mari kita jalankan eksperimen biasa: mari kita ambil gas atom yang dinyahcas sejuk (contohnya, argon atau neon) dan biarkan cahaya putih dari lampu pijar melaluinya. Selepas itu, kami menganalisis fluks cahaya yang melalui gas. Ternyata jika fluks ini diuraikan menjadi frekuensi individu (ini boleh dilakukan menggunakan prisma), maka jalur hitam muncul dalam spektrum berterusan yang diperhatikan, yang menunjukkan bahawa frekuensi ini diserap oleh gas. Dalam kes ini, seseorang bercakap tentang spektrum penyerapan garis.
Pada pertengahan abad XIX. Saintis Jerman bernama GustavKirchhoff menemui sifat yang sangat menarik: dia perasan bahawa tempat di mana garis hitam muncul pada spektrum berterusan sepadan dengan tepat dengan frekuensi sinaran bahan tertentu. Pada masa ini, ciri ini dipanggil undang-undang Kirchhoff.
siri Balmer, Liman dan Pashen
Sejak akhir abad ke-19, ahli fizik di seluruh dunia telah berusaha untuk memahami apakah spektrum garis sinaran. Didapati bahawa setiap atom unsur kimia tertentu dalam sebarang keadaan mempamerkan pemancaran yang sama, iaitu, ia mengeluarkan gelombang elektromagnet dengan frekuensi tertentu sahaja.
Kajian terperinci pertama tentang isu ini telah dijalankan oleh ahli fizik Switzerland Balmer. Dalam eksperimennya, dia menggunakan gas hidrogen yang dipanaskan pada suhu tinggi. Oleh kerana atom hidrogen adalah yang paling mudah di antara semua unsur kimia yang diketahui, adalah paling mudah untuk mengkaji ciri-ciri spektrum sinaran padanya. Balmer mendapat hasil yang menakjubkan, yang ditulisnya sebagai formula berikut:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Di sini λ ialah panjang gelombang yang dipancarkan, RH - beberapa nilai tetap, yang bagi hidrogen adalah sama dengan 1, 097107 m -1, n ialah integer bermula daripada 3, iaitu 3, 4, 5 dsb.
Semua panjang λ, yang diperoleh daripada formula ini, terletak dalam spektrum optik yang boleh dilihat oleh manusia. Siri nilai λ untuk hidrogen ini dipanggil spektrumBalmer.
Seterusnya, menggunakan peralatan yang sesuai, saintis Amerika Theodore Liman menemui spektrum hidrogen ultraviolet, yang diterangkannya dengan formula yang serupa dengan Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Akhirnya, seorang lagi ahli fizik Jerman, Friedrich Paschen, memperoleh formula untuk pelepasan hidrogen di kawasan inframerah:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Namun begitu, hanya perkembangan mekanik kuantum pada tahun 1920-an boleh menjelaskan formula ini.
Rutherford, Bohr dan model atom
Dalam dekad pertama abad ke-20, Ernest Rutherford (ahli fizik Inggeris asal New Zealand) menjalankan banyak eksperimen untuk mengkaji keradioaktifan pelbagai unsur kimia. Terima kasih kepada kajian ini, model pertama atom dilahirkan. Rutherford percaya bahawa "butiran" jirim ini terdiri daripada nukleus positif elektrik dan elektron negatif yang berputar di orbitnya. Daya Coulomb menerangkan mengapa atom "tidak hancur", dan daya emparan yang bertindak ke atas elektron adalah sebab mengapa atom tidak jatuh ke dalam nukleus.
Semuanya nampaknya logik dalam model ini, kecuali satu tetapi. Hakikatnya ialah apabila bergerak di sepanjang trajektori lengkung, mana-mana zarah bercas mesti memancarkan gelombang elektromagnet. Tetapi dalam kes atom yang stabil, kesan ini tidak diperhatikan. Kemudian ternyata model itu sendiri salah?
Pindaan yang diperlukan telah dibuat padanyaseorang lagi ahli fizik ialah Dane Niels Bohr. Pindaan ini kini dikenali sebagai postulat beliau. Bohr memperkenalkan dua proposisi ke dalam model Rutherford:
- elektron bergerak dalam orbit pegun dalam atom, sementara ia tidak memancarkan atau menyerap foton;
- proses sinaran (penyerapan) berlaku hanya apabila elektron bergerak dari satu orbit ke orbit yang lain.
Apakah itu orbit Bohr pegun, kami akan mempertimbangkan dalam perenggan seterusnya.
Kuantisasi tahap tenaga
Orbit pegun bagi elektron dalam atom, yang pertama kali dibicarakan oleh Bohr, adalah keadaan kuantum yang stabil bagi gelombang zarah ini. Keadaan ini dicirikan oleh tenaga tertentu. Yang terakhir bermaksud bahawa elektron dalam atom berada dalam beberapa tenaga "telaga". Dia boleh masuk ke dalam "lubang" lain jika dia menerima tenaga tambahan dari luar dalam bentuk foton.
Dalam spektrum penyerapan dan pelepasan garisan untuk hidrogen, formula yang diberikan di atas, anda boleh melihat bahawa sebutan pertama dalam kurungan ialah nombor dalam bentuk 1/m2, dengan m=1, 2, 3.. ialah integer. Ia mencerminkan bilangan orbit pegun yang dilalui elektron dari aras tenaga yang lebih tinggi n.
Bagaimanakah mereka mengkaji spektrum dalam julat yang boleh dilihat?
Telah dikatakan di atas bahawa prisma kaca digunakan untuk ini. Ini pertama kali dilakukan oleh Isaac Newton pada tahun 1666, apabila dia menguraikan cahaya yang boleh dilihat menjadi satu set warna pelangi. Alasan untukyang mana kesan ini diperhatikan terletak pada pergantungan indeks biasan pada panjang gelombang. Contohnya, cahaya biru (gelombang pendek) dibiaskan lebih kuat daripada cahaya merah (gelombang panjang).
Perhatikan bahawa dalam kes umum, apabila rasuk gelombang elektromagnet bergerak dalam mana-mana medium bahan, komponen frekuensi tinggi rasuk ini sentiasa dibiaskan dan bertaburan lebih kuat daripada yang frekuensi rendah. Contoh utama ialah warna biru langit.
Optik kanta dan spektrum boleh dilihat
Apabila bekerja dengan kanta, cahaya matahari sering digunakan. Oleh kerana ia adalah spektrum berterusan, apabila melalui kanta, frekuensinya dibiaskan secara berbeza. Akibatnya, peranti optik tidak dapat mengumpul semua cahaya pada satu titik, dan warna iridescent muncul. Kesan ini dikenali sebagai penyimpangan kromatik.
Masalah optik kanta yang dinyatakan sebahagiannya diselesaikan dengan menggunakan gabungan cermin mata optik dalam instrumen yang sesuai (mikroskop, teleskop).
