Тази статия предоставя основните понятия, необходими за разбиране на начина, по който атомите излъчват и абсорбират светлина. Той също така описва приложението на тези явления.
Смартфон и физика
Човек, роден след 1990 г., неговиятживот без разнообразни електронни устройства не мога да си представя. Смартфонът не само замества телефона, но също така дава възможност за наблюдение на обменните курсове, извършване на транзакции, повикване на такси и дори кореспонденция с астронавти на борда на МКС чрез приложенията му. Съответно всички тези цифрови асистенти се приемат за даденост. Излъчването и поглъщането на светлина от атомите, благодарение на което ерата на намаляването на всякакви устройства стана възможна, ще изглежда на такива читатели само скучна тема в уроците по физика. Но в този раздел на физиката има много интересни и вълнуващи неща.
Теоретични предпоставки за откриване на спектри
Има една поговорка: „Любопитството няма да доведе до добро“. Но този израз по-скоро се отнася до факта, че е по-добре да не се намесвате в отношенията на други хора. Ако проявите любопитство към света около вас, нищо лошо няма да се случи. В края на деветнадесети век хората започват да разбират същността на магнетизма (той е добре описан в системата на уравненията на Максуел). Следващият въпрос, който учените искаха да решат, беше структурата на материята. Необходимо е да се изясни веднага: самото излъчване и поглъщане на светлина от атомите не е ценно за науката. Линейните спектри са следствие от това явление и основа за изучаване на структурата на веществата.
Структура на атома
Учените в древна Гърция предполагат товамраморът се състои от някои неделими парчета, "атоми". И до края на деветнадесети век хората смятаха, че това са най-малките частици на материята. Но експериментът на Ръдърфорд при разпръскване на тежки частици върху златно фолио показа, че атомът има и вътрешна структура. Тежкото ядро е в центъра и е заредено положително, светлинно отрицателните електрони се въртят около него.
Атомни парадокси в рамките на теорията на Максуел
Тези данни породиха няколко парадокса: според уравненията на Максуел всяка движеща се заредена частица излъчва електромагнитно поле, следователно губи енергия. Защо тогава електроните не падат върху ядрото, а продължават да се въртят? Не беше ясно и защо всеки атом поглъща или излъчва фотони само с определена дължина на вълната. Теорията на Бор даде възможност да се премахнат тези несъответствия чрез въвеждане на орбитали. Според постулатите на тази теория електроните могат да бъдат около ядрото само в тези орбитали. Преходът между две съседни състояния е придружен или от емисия, или от абсорбция на квант с определена енергия. Именно поради това се получава излъчването и поглъщането на светлина от атомите.
Дължина на вълната, честота, енергия
За по-пълна картина трябва да кажетемалко за фотоните. Това са елементарни частици, които нямат маса в покой. Те съществуват само докато се движат през околната среда. Но те все още имат маса: удряйки се на повърхността, те пренасят инерция към нея, което би било невъзможно без маса. Те просто превръщат своята маса в енергия, правейки уцеленото вещество малко по-топло. Теорията на Бор не обяснява този факт. Свойствата на фотона и характеристиките на неговото поведение са описани от квантовата физика. И така, фотонът е едновременно вълна и частица с маса. Фотонът и като вълна има следните характеристики: дължина (λ), честота (ν), енергия (E). Колкото по-дълга е дължината на вълната, толкова по-ниска е честотата и енергията е по-ниска.
Атомен спектър
Атомният спектър се формира на няколко етапа.
- Електронът в атома се движи от орбитала 2 (с по-висока енергия) към орбитала 1 (с по-ниска енергия).
- Освобождава се определено количество енергия, която се формира като квант светлина (hν).
- Този квант се излъчва в околното пространство.
По този начин се получава линейният спектъратом. Защо се нарича така, обяснява неговата форма: когато специални устройства „улавят“ изходящи фотони светлина, на регистриращото устройство се записват редица редове. За разделяне на фотони с различни дължини на вълната се използва явлението на дифракция: вълните с различни честоти имат различен индекс на пречупване, поради което някои се отклоняват повече от други.
Свойства на веществата и спектри
Линейният спектър на веществото е уникален за всекивид атоми. Тоест, водородът, когато бъде излъчен, ще даде един набор от линии, а златото - друг. Този факт е в основата на приложението на спектрометрията. След като сте получили спектъра на всичко, можете да разберете от какво се състои веществото, как атомите са разположени в него един спрямо друг. Този метод също така дава възможност да се определят различни свойства на материалите, което често се използва от химията и физиката. Поглъщането и излъчването на светлина от атомите е един от най-разпространените инструменти за изучаване на света около нас.
Недостатъци на метода на емисионните спектри
До този момент ставаше дума по-скоро за това какатомите излъчват. Но обикновено всички електрони са в своите орбитали в състояние на равновесие, те нямат причина да се преместват в други състояния. За да може едно вещество да излъчва нещо, то първо трябва да абсорбира енергия. Това е недостатъкът на метод, който използва поглъщането и излъчването на светлина от атом. Накратко, едно вещество трябва първо да се нагрее или освети, преди да получим спектър. Няма да възникнат въпроси, ако учен изучава звездите, те вече блестят благодарение на собствените си вътрешни процеси. Но ако е необходимо да се изследва парче руда или хранителен продукт, тогава за да се получи спектър, той всъщност трябва да бъде изгорен. Този метод не винаги е подходящ.
Спектри на абсорбция
Излъчване и поглъщане на светлина от атоми като метод"Работи" в две посоки. Можете да осветите широколентова светлина върху вещество (тоест такова, в което присъстват фотони с различни дължини на вълната) и след това да видите какви дължини на вълната се абсорбират. Но този метод не винаги е подходящ: наложително е веществото да е прозрачно за желаната част от електромагнитната скала.
Качествен и количествен анализ
Стана ясно:спектрите са уникални за всяко вещество. Читателят може да заключи, че такъв анализ се използва само за да се определи от какво е направен материалът. Възможностите на спектрите обаче са много по-широки. Използвайки специални техники за разглеждане и разпознаване на ширината и интензитета на получените линии, е възможно да се установи броят на атомите, включени в съединението. Освен това този индикатор може да бъде изразен в различни единици:
- като процент (например тази сплав съдържа 1% алуминий);
- в молове (3 мола натриев хлорид се разтварят в тази течност);
- в грамове (тази проба съдържа 0,2 g уран и 0,4 грама торий).
Понякога анализът е смесен:качествени и количествени едновременно. Но ако по-рано физиците запомниха позицията на линиите и оцениха техния нюанс с помощта на специални таблици, сега всичко това се прави от програми.
Приложение на спектрите
Вече разбрахме достатъчно подробно каквоизлъчване и поглъщане на светлина от атоми. Широко се използва спектрален анализ. Няма нито една област от човешката дейност, в която да се използва разглежданото явление. Ето някои от тях:
- В самото начало на статията говорихме за смартфони. Силициевите полупроводникови елементи са станали толкова малки, отчасти благодарение на изследването на кристали с помощта на спектрален анализ.
- Във всеки инцидент това е уникалносттаелектронната обвивка на всеки атом ви позволява да определите кой куршум е бил изстрелян първи, защо се е счупила рамката на колата или е паднал кулокранът, както и с каква отрова е бил отровен човек и колко дълго е престоял във водата.
- Медицината използва спектрален анализ за свои цели най-често по отношение на телесните течности, но се случва този метод да се прилага и върху тъканите.
- Далечни галактики, облаци от космически газпланети в близост до извънземни звезди - всичко това се изучава с помощта на светлината и нейното разлагане на спектри. Учените научават състава на тези обекти, тяхната скорост и процесите, които протичат в тях, поради факта, че могат да улавят и анализират фотоните, които излъчват или поглъщат.
Електромагнитна везна
Обръщаме най-голямо внимание на видимата светлина.Но в електромагнитната скала този сегмент е много малък. Това, което човешкото око не улавя, е много по-широко от седемте цвята на дъгата. Могат да се излъчват и абсорбират не само видими фотони (λ = 380-780 нанометра), но и други кванти. Електромагнитната везна включва:
- Радио вълни (λ = 100 километра) предават информация на дълги разстояния. Поради много дългата им дължина на вълната, енергията им е много ниска. Усвояват се много лесно.
- Терахерцови вълни (λ = 1-0,1 милиметра) доскоро бяха трудни за получаване. Преди това техният обхват беше включен в радиовълните, но сега този сегмент от електромагнитната скала е разпределен в отделен клас.
- Инфрачервените вълни (λ = 0,74-2000 микрометра) пренасят топлина. Огън, лампа, слънцето ги излъчва в изобилие.
Ние разгледахме видимата светлина, така че няма да пишем за нея по-подробно.
Ултравиолетови вълни (λ = 10-400 нанометра) са фатални за хората визлишък, но липсата им предизвиква и необратими процеси. Нашата централна звезда осигурява много ултравиолетова радиация, а земната атмосфера задържа по-голямата част от нея.
Рентгенови и гама кванти (λ <10 нанометра) имат общ диапазон, носе различават по произход. За да ги получите, трябва да ускорите електроните или атомите до много високи скорости. Човешките лаборатории са способни на това, но в природата такива енергии се намират само вътре в звездите или при сблъсъци на масивни обекти. Примери за последния процес са експлозии на свръхнови, поглъщане на звезда от черна дупка, сблъсък на две галактики или галактика и масивен облак от газ.
Електромагнитни вълни от всички диапазони, а именноспособността им да се излъчват и абсорбират от атомите се прилага в човешката дейност. Независимо какво е избрал (или тепърва ще избере) читателят за свой жизнен път, той определено ще се натъкне на резултатите от спектрални изследвания. Продавачът използва модерен терминал за плащане само защото един учен някога е изследвал свойствата на веществата и е създал микрочип. Фермерът наторява нивите и сега събира големи реколти само защото един геолог веднъж открил фосфор в буца руда. Момичето носи ярки тоалети само благодарение на изобретяването на устойчиви химически багрила.
Но ако читателят иска да свърже живота си със света на науката, тогава ще трябва да изучава много повече от основните понятия за процеса на излъчване и поглъщане на светлинни кванти в атомите.
