Длина волны, частота, энергия
Для более полной картины необходимо рассказать немного о фотонах. Это элементарные частицы, у которых нет массы покоя. Они существуют, только пока движутся сквозь среду. Но массой все-таки обладают: ударяясь о поверхность, они передают ей импульс, что было бы невозможно без массы. Просто свою массу они превращают в энергию, делая вещество, о которое они ударяются и которым они поглощаются, немного теплее. Теория Бора не объясняет этот факт. Свойства фотона и особенности его поведения описывает квантовая физика. Итак, фотон – одновременно и волна, и частица с массой. Фотон, и как волна, обладает следующими характеристиками: длиной (λ), частотой (ν), энергией (Е). Чем больше длина волны, тем ниже частота, и тем ниже энергия.
Теоретические предпосылки для открытия спектров
В переводе с греческого слово «атом» несет значение «неделимый». Многие ученые исследовали атом, но больших успехов достигнул в области изучения строения атома английский ученый Эрнест Резерфорд. Он исследовал атом посредством опытов по рассеянию альфа-частиц при прохождении через тонкие слои вещества.
В данных опытах узкий пучок α-частиц, которые испускаются радиоактивным веществом, был направлен на тонкую фольгу из золота. За фольгой располагался экран, имеющий способность светиться под воздействием ударов быстрых частиц.
Стало известно, что большая часть α-частиц будет отклоняться от прямолинейного распространения после того, как частицы прошли фольгу (рассеялись), а некоторые α-частицы были отброшены назад.
Вот так выглядит Эрнест Резерфорд:
Резерфордом было сделано предположение, что строение атома похоже на строение системы планет. Смысл модели строения атома по Резерфорду заключалась в следующих постулатах:
- В центре атома располагается ядро с положительным зарядом, в котором сосредоточена вся масса.
- Вокруг ядра на круговых орбитах на огромных расстояниях вращаются электроны, как и планеты Солнечной системы вокруг Солнца.
Однако планетарная модель строения атома, согласно Резерфорду, не могла объяснить перечень известных науке фактов:
- электрон, имеющий заряд, должен за счет сил притяжения Кулона упасть на ядро, а атом в этом случае является устойчивой системой;
- при движении по круговой орбите, по мере приближения к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, то есть излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр.
На практике получается совершенно другое: электроны атомов способны излучать свет, имеющий линейчатый спектр.
Объяснить данные противоречия планетарной модели строения ядра одним из первых попытался датский физик Нильс Бор.
Посмотрите на его фотографию:
В основу данной теории Бор заложил два постулата.
Атомная система поглощает квант энергии при переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную. В процессе перехода с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.
Значение спектрального анализа для астрофизики
Процессы поглощения и испускания света атомами предоставляют самые ценные сведения в областях астрофизики, а также исследований космоса. Благодаря спектральному анализу можно установить химический состав небесных объектов (например, звезд и Солнца). Спектроскопия показывает, что в составе звезд можно встретить такие же элементы, что и на нашей планете Земля. Фотосферы небесных тел являются непрерывным спектром.
Однако при помощи спектрального анализа возможно не только открыть химический состав звезд. Данный метод помог изучить жизненный цикл звездных тел. Каждая из звезд получила определенное место в спектральном классе. Место в классификации было дано на основании размера, а также температуры излучения.
Эффект Доплера раскрывает суть и дополняет исследования и опыты, проведенные при помощи спектроскопии. Так, большая часть современных астрономических исследований основывается на данных, полученных благодаря спектральному анализу.
Спектроскопия дала миру множество важных и ценных открытий в различных областях знаний. Большая часть химических элементов была обнаружена при помощи спектрального анализа. Например, такие химические элементы как гелий, цезий, рубидий, а также многие другие. Основной цвет спектров данных химических элементов служит одной из причин их названия. Так, рубидий — темно-красный.
Также данный тип анализа применяется в области криминалистики. В том числе для того, чтобы установить поддельность или подлинность документов.
Электромагнитная шкала
Больше всего мы уделяем внимания видимому свету. Но на электромагнитной шкале этот отрезок очень маленький. То, что человеческий глаз не фиксирует, гораздо шире семи цветов радуги. Испускаться и поглощаться могут не только видимые фотоны (λ=380-780 нанометров), но и другие кванты. Электромагнитная шкала включает:
- Радиоволны (λ = 100 километров) передают информацию на дальние расстояния. Из-за очень большой длины волны их энергия очень низкая. Они очень легко поглощаются.
- Терагерцовые волны (λ = 1-0,1 миллиметров) до недавнего времени были труднодоступны. Раньше их диапазон включали в радиоволны, но сейчас этот отрезок электромагнитной шкалы выделяется в отдельный класс.
- Инфракрасные волны (λ = 0,74-2000 микрометров) переносят тепло. Костер, лампа, Солнце излучают их в избытке.
Видимый свет мы рассмотрели, поэтому более подробно о нем писать не будем.
Ультрафиолетовые волны (λ = 10-400 нанометров) смертельны для человека в избытке, но и их недостаток вызывает необратимые процессы. Наша центральная звезда дает очень много ультрафиолета, а атмосфера Земли задерживает большую его часть.
-
Подготовить реферат по теме производственная санитария
-
Ятрогенная патология в хирургии реферат
-
Анализ финансового состояния страховой организации реферат
-
Рекрутмент как отрасль бизнеса реферат
- Методы исследования систем управления реферат
Физика 9 кл. Поглощение и испускание света атомами. Происхождение линейчатых спектров
- Подробности
- Обновлено 18.06.2019 17:48
- Просмотров: 398
1. Как формулируются постулаты Бора?
Одним из основоположников квантовой механики был датский физик Нильс Бор.
Бор пришел к заключению, что свет излучается атомами вещества.
В связи с этим в 1913 г. он сформулировал два постулата:
1). Атом может находиться только в особых, стационарных состояниях.
Каждому состоянию соответствует определенное значение энергии — энергетический уровень.
Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает.
Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны.
Номера стационарных орбит и энергетических уровней (начиная с первого) в общем случае обозначаютсяч латинскими буквами.
Радиусы орбит, как и энергии стационарных состояний, могут принимать не любые, а определенные дискретные значения.
Первая орбита расположена ближе всех к ярду.
2). Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ек в стационарное состояние с меньшей энергией Еп.
Атом может также поглощать фотоны.
При поглощении фотона атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.
2. Как записать уравнение для определения энергии и частоты излученного фотона?
Согласно закону сохранения энергии энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:
Отсюда следует, что атом может излучать свет только с частотами:
3. Какое состояние атома называют основным? возбужденным?
Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным.
Все другие состояния атома называются возбужденными.
4. Почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий?
У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней.
Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.
5. Как объясняется совпадение линий в спектрах излучения и поглощения данного химического элемента?
Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям в спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями.
Поэтому атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать.
Следующая страница — смотреть
Назад в «Оглавление» — смотреть
Применение спектров
Мы уже достаточно подробно разобрали, что такое испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ применяется очень широко. Нет ни одной области человеческой деятельности, где бы ни использовалось рассматриваемое нами явление. Вот некоторые из них:
- В самом начале статьи мы говорили о смартфонах. Кремниевые полупроводниковые элементы стали такими маленькими, в том числе и благодаря исследованиям кристаллов с помощью спектрального анализа.
- При любых происшествиях именно уникальность электронной оболочки каждого атома позволяет определить, какую пулю выпустили первой, почему сломался каркас машины или упал башенный кран, а также каким ядом отравился человек, и сколько времени он пробыл в воде.
- Медицина используется спектральный анализ в своих целях чаще всего по отношению к жидкостям тела, но бывает, что этот метод применяется и к тканям.
- Далекие галактики, облака космического газа, планеты у чужих звезд – все это изучают с помощью света и его разложения в спектры. Ученые узнают состав этих объектов, их скорость и процессы, которые в них происходят благодаря тому, что могут зафиксировать и проанализировать фотоны, которые они испускают или поглощают.
Качественный и количественный анализ
Стало ясно: спектры уникальны для каждого вещества. Читатель мог заключить: такой анализ используется только для того, чтобы определить, из чего сделан материал. Однако возможности спектров гораздо шире. С помощью особых методик рассмотрения и распознавания ширины и интенсивности получившихся линий можно установить количество входящих в соединение атомов. Причем показатель этот можно выражать в разных единицах:
- в процентах (например, в этом сплаве содержится 1% алюминия);
- в молях (в этой жидкости растворено 3 моля поваренной соли);
- в граммах (в данном образце присутствуют 0,2 г урана и 0,4 грамма тория).
Иногда анализ бывает смешанным: качественным и количественным одновременно. Но если раньше физики заучивали наизусть положение линий и оценивали их оттенок с помощью особых таблиц, то сейчас все это делают программы.
Виды излучения
Оно бывает:
- Тепловое. При нагревании тела, атомы ускоряют свое движение, что приводит к выделению энергии. При достижении определенной концентрации выработанной энергии, вещество начинает излучать свет.
- Для испускания и поглощения атомами света может использоваться электрическое поле. В этом случае энергия излучения называется электролюминесценцией.
- Хемилюминесценция. Это явление происходит при некоторых химических реакциях, когда температура вещества остается обычной, а излучение происходит за счет взаимодействия с другим веществом.
- Фотолюминесценция. Возникает, когда атомы начинают сами излучать свет под воздействием иного источника излучения.