انبعاث وامتصاص الضوء بواسطة الذرات. أصل أطياف الخط

تقدم هذه المقالة المفاهيم الأساسية اللازمة لفهم كيفية إصدار الذرات للضوء وامتصاصها. كما يصف تطبيق هذه الظواهر.

الهاتف الذكي والفيزياء

شخص ولد بعد عام 1990 لهالحياة بدون أجهزة إلكترونية متنوعة لا يمكن تخيلها. لا يحل الهاتف الذكي محل الهاتف فحسب ، بل يتيح أيضًا إمكانية مراقبة أسعار الصرف ، وإجراء المعاملات ، والاتصال بسيارة أجرة ، وحتى التواصل مع رواد الفضاء على متن محطة الفضاء الدولية من خلال تطبيقاتها. وفقًا لذلك ، يتم اعتبار كل هؤلاء المساعدين الرقميين أمرًا مفروغًا منه. إن انبعاث وامتصاص الضوء بواسطة الذرات ، والذي بفضله أصبح عصر تقليل جميع أنواع الأجهزة ممكنًا ، سيبدو لمثل هؤلاء القراء مجرد موضوع ممل في دروس الفيزياء. لكن في هذا القسم من الفيزياء ، هناك العديد من الأشياء الشيقة والمثيرة.

المتطلبات النظرية لاكتشاف الأطياف

هناك قول مأثور: "الفضول لا يقود إلى الخير". لكن هذا التعبير يشير بدلاً من ذلك إلى حقيقة أنه من الأفضل عدم التدخل في علاقات الآخرين. إذا أظهرت فضولًا حول العالم من حولك ، فلن يحدث شيء سيء. في نهاية القرن التاسع عشر ، بدأ الناس يفهمون طبيعة المغناطيسية (وهي موصوفة جيدًا في نظام معادلات ماكسويل). كان السؤال التالي الذي أراد العلماء حله هو بنية المادة. من الضروري التوضيح في الحال: إن انبعاث وامتصاص الضوء من الذرات ليس ذا قيمة للعلم. أطياف الخط هي نتيجة لهذه الظاهرة وأساس لدراسة بنية المواد.

هيكل الذرة

اقترح العلماء في اليونان القديمة ذلكيتكون الرخام من بعض القطع غير القابلة للتجزئة ، "الذرات". وحتى نهاية القرن التاسع عشر ، اعتقد الناس أن هذه هي أصغر جزيئات المادة. لكن تجربة رذرفورد في نثر الجزيئات الثقيلة على رقائق الذهب أظهرت أن الذرة لها أيضًا بنية داخلية. النواة الثقيلة في المركز وهي مشحونة إيجابيا ، وتدور الإلكترونات السالبة الخفيفة حولها.

المفارقات الذرية في إطار نظرية ماكسويل

أدت هذه البيانات إلى ظهور العديد من المفارقات:وفقًا لمعادلات ماكسويل ، فإن أي جسيم مشحون متحرك ينبعث منه مجال كهرومغناطيسي ، وبالتالي يفقد الطاقة. لماذا إذن لا تسقط الإلكترونات على النواة ، بل تستمر في الدوران؟ كما أنه من غير الواضح لماذا تمتص كل ذرة أو تصدر فوتونات ذات طول موجي معين فقط. جعلت نظرية بوهر من الممكن القضاء على هذه التناقضات عن طريق إدخال المدارات. وفقًا لمسلمات هذه النظرية ، يمكن أن تكون الإلكترونات حول النواة فقط في هذه المدارات. يكون الانتقال بين دولتين متجاورتين مصحوبًا إما بانبعاث أو امتصاص كمية معينة من الطاقة. يحدث انبعاث وامتصاص الضوء بواسطة الذرات على وجه التحديد بسبب هذا.

الطول الموجي والتردد والطاقة

للحصول على صورة أكثر اكتمالا ، عليك أن تخبرقليلا عن الفوتونات. هذه جسيمات أولية ليس لها كتلة راحة. هم موجودون فقط طالما أنهم ينتقلون عبر البيئة. لكن لا يزال لديهم كتلة: ضرب السطح ، ينقلون الدافع إليه ، والذي سيكون مستحيلًا بدون كتلة. إنهم يحولون كتلهم إلى طاقة فقط ، مما يجعل المادة التي يصطدمون بها والتي يتم امتصاصها أكثر دفئًا. لا تفسر نظرية بوهر هذه الحقيقة. وصفت فيزياء الكم خصائص الفوتون وخصائص سلوكه. إذن ، الفوتون عبارة عن موجة وجسيم له كتلة. الفوتون ، وكموجة ، له الخصائص التالية: الطول (λ) ، التردد (ν) ، الطاقة (E). كلما زاد الطول الموجي ، قل التردد ، وانخفضت الطاقة.

طيف الذرة

يتكون الطيف الذري من عدة مراحل.

1. ينتقل الإلكترون في الذرة من المدار 2 (مع طاقة أعلى) إلى المدار 1 (بطاقة أقل).
2. يتم إطلاق كمية معينة من الطاقة ، والتي يتم تشكيلها على شكل كمية من الضوء (hν).
3. ينبعث هذا الكم في الفضاء المحيط.

وبالتالي ، يتم الحصول على طيف الخطذرة. لماذا يطلق عليه بهذه الطريقة ، يشرح شكله: عندما "تلتقط" أجهزة خاصة فوتونات ضوئية صادرة ، يتم تسجيل عدد من الخطوط على جهاز التسجيل. لفصل الفوتونات ذات الأطوال الموجية المختلفة ، يتم استخدام ظاهرة الانعراج: فالموجات ذات الترددات المختلفة لها معامل انكسار مختلف ، وبالتالي فإن بعضها ينحرف أكثر من البعض الآخر.

خصائص المواد والأطياف

الطيف الخطي للمادة فريد للجميعنوع من الذرات. وهذا يعني أن الهيدروجين ، عند انبعاثه ، سيعطي مجموعة من الخطوط ، والذهب - أخرى. هذه الحقيقة هي أساس تطبيق قياس الطيف. بعد تلقي طيف أي شيء ، يمكنك فهم ماهية المادة ، وكيف توجد الذرات فيها بالنسبة لبعضها البعض. تتيح هذه الطريقة أيضًا تحديد الخصائص المختلفة للمواد ، والتي غالبًا ما تستخدم في الكيمياء والفيزياء. يعد امتصاص وانبعاث الضوء بواسطة الذرات من أكثر الأدوات شيوعًا لدراسة العالم من حولنا.

مساوئ طريقة أطياف الانبعاث

حتى هذه النقطة ، كان الأمر يتعلق بالكيفيةتنبعث الذرات. لكن عادة ما تكون جميع الإلكترونات في مداراتها في حالة توازن ، وليس لديها سبب للانتقال إلى حالات أخرى. لكي تنبعث مادة ما ، يجب أن تمتص الطاقة أولاً. هذا هو عيب الطريقة التي تستغل امتصاص وانبعاث الضوء بواسطة الذرة. باختصار ، يجب أولاً تسخين أو إضاءة المادة قبل أن نحصل على الطيف. لن تُطرح الأسئلة إذا قام أحد العلماء بدراسة النجوم ، فهي تتألق بالفعل بفضل عملياتها الداخلية. ولكن إذا كنت ترغب في دراسة قطعة من الركاز أو منتج غذائي ، فمن أجل الحصول على طيف ، فعليك أن تحرق. هذه الطريقة ليست مناسبة دائمًا.

أطياف الامتصاص

انبعاث وامتصاص الضوء بواسطة الذرات كطريقة"يعمل" في اتجاهين. يمكنك تسليط ضوء عريض النطاق على مادة (أي تلك التي توجد فيها فوتونات ذات أطوال موجية مختلفة) ، ثم معرفة الأطوال الموجية التي يتم امتصاصها. لكن هذه الطريقة ليست مناسبة دائمًا: من الضروري أن تكون المادة شفافة بالنسبة للجزء المطلوب من المقياس الكهرومغناطيسي.

التحليل النوعي والكمي

أصبح واضحا:الأطياف فريدة لكل مادة. ربما يكون القارئ قد استنتج أن مثل هذا التحليل يستخدم فقط لتحديد المادة المصنوعة منها. ومع ذلك ، فإن إمكانيات الأطياف أوسع بكثير. بمساعدة التقنيات الخاصة للنظر والتعرف على عرض وشدة الخطوط الناتجة ، من الممكن تحديد عدد الذرات المتضمنة في المركب. علاوة على ذلك ، يمكن التعبير عن هذا المؤشر بوحدات مختلفة:

• كنسبة مئوية (على سبيل المثال ، تحتوي هذه السبيكة على 1٪ ألومنيوم) ؛
• في الشامات (تذوب 3 مولات من كلوريد الصوديوم في هذا السائل) ؛
• بالجرام (تحتوي هذه العينة على 0.2 جرام من اليورانيوم و 0.4 جرام من الثوريوم).

أحيانًا يكون التحليل مختلطًا:نوعيًا وكميًا في نفس الوقت. ولكن إذا حفظ الفيزيائيون الأوائل موضع السطور وقدّروا ظلها باستخدام جداول خاصة ، فإن كل هذا يتم الآن بواسطة البرامج.

تطبيق الأطياف

لقد قمنا بالفعل بفرز ما يكفي من التفاصيلانبعاث وامتصاص الضوء بواسطة الذرات. يستخدم التحليل الطيفي على نطاق واسع. لا يوجد مجال واحد للنشاط البشري ، أينما يتم استخدام الظاهرة التي ندرسها. هنا بعض منهم:

1. في بداية المقال تحدثنا عن الهواتف الذكية. أصبحت عناصر أشباه الموصلات السيليكونية صغيرة جدًا ، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى دراسة البلورات باستخدام التحليل الطيفي.
2. في أي حادث هو التفردتسمح لك القشرة الإلكترونية لكل ذرة بتحديد الرصاصة التي تم إطلاقها أولاً ، ولماذا انكسر إطار السيارة أو سقطت الرافعة البرجية ، وكذلك نوع السم الذي تسمم به الشخص ، ومدة بقائه في الماء.
3. يستخدم الطب التحليل الطيفي لأغراضه الخاصة في أغلب الأحيان فيما يتعلق بسوائل الجسم ، ولكن يحدث أن يتم تطبيق هذه الطريقة على الأنسجة أيضًا.
4. المجرات البعيدة ، سحب الغاز الكونيالكواكب القريبة من النجوم الغريبة - تتم دراسة كل هذا بمساعدة الضوء وتحللها إلى أطياف. يتعلم العلماء تكوين هذه الكائنات وسرعتها والعمليات التي تحدث فيها نظرًا لحقيقة أنها تستطيع التقاط وتحليل الفوتونات التي تنبعث منها أو تمتصها.

مقياس كهرومغناطيسي

نحن نولي أكبر قدر من الاهتمام للضوء المرئي.لكن على النطاق الكهرومغناطيسي ، هذا الجزء صغير جدًا. ما لا تلتقطه العين البشرية أوسع بكثير من ألوان قوس قزح السبعة. ليس فقط الفوتونات المرئية (λ = 380-780 نانومتر) ، ولكن أيضًا الكميات الأخرى يمكن انبعاثها وامتصاصها. المقياس الكهرومغناطيسي يشمل:

1. موجات الراديو (λ = 100 كيلومتر) ينقل المعلومات عبر مسافات طويلة. نظرًا لطولها الموجي الطويل جدًا ، فإن طاقتها منخفضة جدًا. يتم امتصاصها بسهولة.
2. موجات تيراهيرتز (λ = 1-0.1 ملليمتر) كان من الصعب الحصول عليها حتى وقت قريب. في السابق ، تم تضمين مداها في موجات الراديو ، ولكن الآن تم تخصيص هذا الجزء من المقياس الكهرومغناطيسي لفئة منفصلة.
3. موجات الأشعة تحت الحمراء (λ = 0.74-2000 ميكرومتر) تنقل الحرارة. شعلة ، مصباح ، تنبعث منها الشمس بوفرة.

لقد نظرنا في الضوء المرئي ، لذلك لن نكتب عنه بمزيد من التفصيل.

موجات فوق بنفسجية (λ = 10-400 نانومتر) قاتلة للإنسان فيالزائدة ، ولكن نقصها يؤدي أيضًا إلى عمليات لا رجعة فيها. يوفر نجمنا المركزي الكثير من الأشعة فوق البنفسجية ، ويحتفظ الغلاف الجوي للأرض بمعظمها.

الأشعة السينية وجاما كوانتا (λ <10 نانومتر) لها نطاق مشترك ، ولكنتختلف في الأصل. للحصول عليها ، تحتاج إلى تسريع الإلكترونات أو الذرات إلى سرعات عالية جدًا. المختبرات البشرية قادرة على ذلك ، ولكن في الطبيعة توجد مثل هذه الطاقات فقط داخل النجوم أو في اصطدامات الأجسام الضخمة. مثال على العملية الأخيرة هو انفجارات المستعرات الأعظمية ، وامتصاص ثقب أسود لنجم ، وتصادم مجرتين أو مجرة ​​وسحابة ضخمة من الغاز.

الموجات الكهرومغناطيسية بجميع نطاقاتها وهييتم تطبيق قدرتها على انبعاثها وامتصاصها بواسطة الذرات في النشاط البشري. بغض النظر عما اختاره القارئ (أو على وشك اختياره) كمسار لحياته ، سيصادف بالتأكيد نتائج الدراسات الطيفية. يستخدم البائع محطة دفع حديثة فقط لأن العالم درس خواص المواد وقام بإنشاء رقاقة إلكترونية. يقوم المزارع بتخصيب الحقول وهو الآن يجمع محاصيل كبيرة فقط لأن الجيولوجي اكتشف مرة الفوسفور في كتلة من الخام. ترتدي الفتاة ملابس مشرقة فقط بفضل اختراع الأصباغ الكيميائية الثابتة.

لكن إذا أراد القارئ ربط حياته بعالم العلم ، فسيتعين عليه أن يدرس أكثر بكثير من المفاهيم الأساسية لعملية انبعاث وامتصاص كمات الضوء في الذرات.