Tento článek poskytuje základní koncepty potřebné k pochopení toho, jak atomy vyzařují a absorbují světlo. Popisuje také aplikaci těchto jevů.
Smartphone a fyzika
Osoba, která se narodila po roce 1990, jehoživot bez různých elektronických zařízení si nedovedeme představit. Smartphone nejenže nahrazuje telefon, ale také umožňuje prostřednictvím jejich aplikací sledovat směnné kurzy, provádět transakce, volat taxi a dokonce si dopisovat s astronauty na palubě ISS. Proto jsou všichni tito digitální asistenti považováni za samozřejmost. Emise a absorpce světla atomy, díky nimž byla možná éra redukce všech druhů zařízení, bude takovým čtenářům připadat na hodinách fyziky jen jako nudné téma. Ale v této sekci fyziky je spousta zajímavých a vzrušujících věcí.
Teoretické předpoklady pro objev spektra
Říká se: „Zvědavost nepovede k dobru“.Tento výraz ale spíše odkazuje na skutečnost, že je lepší nezasahovat do vztahů jiných lidí. Pokud projevíte zvědavost na svět kolem sebe, nic zlého se nestane. Na konci devatenáctého století lidé začali chápat podstatu magnetismu (je to dobře popsáno v systému Maxwellových rovnic). Další otázkou, kterou chtěli vědci vyřešit, byla struktura hmoty. Je nutné objasnit najednou: samotná emise a absorpce světla atomy není pro vědu cenná. Čárová spektra jsou důsledkem tohoto jevu a základem pro studium struktury látek.
Atomová struktura
Vědci ve starověkém Řecku to navrhlimramor se skládá z několika nedělitelných kusů, „atomů“. A až do konce devatenáctého století si lidé mysleli, že se jedná o nejmenší částice hmoty. Rutherfordův experiment při rozptylu těžkých částic na zlatou fólii však ukázal, že atom má také vnitřní strukturu. Těžké jádro je ve středu a je kladně nabité, světlo negativní elektrony se kolem něj otáčejí.
Atomové paradoxy v rámci Maxwellovy teorie
Tato data dala vzniknout několika paradoxům:podle Maxwellových rovnic každá pohybující se nabitá částice vyzařuje elektromagnetické pole, proto ztrácí energii. Proč tedy elektrony nespadají na jádro, ale pokračují v rotaci? Rovněž nebylo jasné, proč každý atom absorbuje nebo emituje fotony pouze určité vlnové délky. Bohrova teorie umožnila odstranit tyto nesrovnalosti zavedením orbitálů. Podle postulátů této teorie mohou být elektrony kolem jádra pouze v těchto orbitálech. Přechod mezi dvěma sousedními státy je doprovázen buď emisí nebo absorpcí kvanta s určitou energií. K emisi a absorpci světla atomy dochází právě proto.
Vlnová délka, frekvence, energie
Pro úplnější obrázek musíte říctněco málo o fotonech. Jedná se o elementární částice, které nemají žádnou klidovou hmotnost. Existují jen tak dlouho, dokud se pohybují prostředím. Ale stále mají hmotnost: po dopadu na povrch na něj přenesou impuls, což by bez hmoty nebylo možné. Jen přeměňují svoji hmotu na energii, takže látka, kterou zasáhnou a kterou absorbují, se trochu zahřeje. Bohrova teorie tuto skutečnost nevysvětluje. Vlastnosti fotonu a zvláštnosti jeho chování popisuje kvantová fyzika. Foton je tedy vlna i částice s hmotností. Foton a jako vlna má následující charakteristiky: délka (λ), frekvence (ν), energie (E). Čím delší je vlnová délka, tím nižší je frekvence a tím nižší je energie.
Atomové spektrum
Atomové spektrum se tvoří v několika fázích.
- Elektron v atomu se pohybuje z oběžné dráhy 2 (s vyšší energií) na oběžnou dráhu 1 (s nižší energií).
- Uvolní se určité množství energie, které se vytvoří jako kvantum světla (hν).
- Toto kvantum je vyzařováno do okolního prostoru.
Tím se získá řádkové spektrumatom. Proč se tomu tak říká, vysvětluje jeho tvar: když speciální zařízení „zachytí“ odchozí fotony světla, zaznamená se na registračním zařízení řada řádků. K oddělení fotonů různých vlnových délek se používá fenomén difrakce: vlny s různými frekvencemi mají různé indexy lomu, proto jsou některé vychýleny více než jiné.
Vlastnosti látek a spektra
Spektrum čar látky je pro každého jedinečnédruh atomů. To znamená, že vodík, když je emitován, dá jednu sadu čar a zlato - další. Tato skutečnost je základem pro aplikaci spektrometrie. Po obdržení spektra čehokoli můžete pochopit, z čeho se látka skládá, jak jsou v ní navzájem umístěny atomy. Tato metoda také umožňuje stanovit různé vlastnosti materiálů, které chemie a fyzika často využívá. Absorpce a emise světla atomy je jedním z nejběžnějších nástrojů pro studium světa kolem nás.
Nevýhody metody emisních spekter
Do této chvíle to bylo spíše o tom, jakatomy vyzařují. Obvykle jsou ale všechny elektrony na svých orbitálech ve stavu rovnováhy, nemají důvod se přesouvat do jiných stavů. Aby látka něco vyzařovala, musí nejprve absorbovat energii. To je nevýhoda metody, která využívá absorpci a emisi světla atomem. Stručně řečeno, látku musíme nejprve zahřát nebo osvětlit, než získáme spektrum. Otázky nevyvstanou, pokud vědec studuje hvězdy, ty už září díky vlastním vnitřním procesům. Pokud je však požadováno studium kusu rudy nebo potravinářského produktu, pak k získání spektra je ve skutečnosti potřeba ho spálit. Tato metoda není vždy vhodná.
Absorpční spektra
Emise a absorpce světla atomy jako metoda„Funguje“ ve dvou směrech. Širokopásmové světlo můžete posvítit na látku (tj. Takovou, ve které jsou přítomny fotony různých vlnových délek) a poté zjistit, které vlnové délky jsou absorbovány. Tato metoda však není vždy vhodná: je nezbytné, aby byla látka průhledná pro požadovanou část elektromagnetické stupnice.
Kvalitativní a kvantitativní analýza
Bylo jasné:spektra jsou pro každou látku jedinečná. Čtenář mohl dojít k závěru, že taková analýza se používá pouze k určení, z čeho je materiál vyroben. Možnosti spekter jsou však mnohem širší. Pomocí speciálních technik pro zvažování a rozpoznávání šířky a intenzity výsledných čar je možné stanovit počet atomů obsažených ve sloučenině. Tento ukazatel lze navíc vyjádřit v různých jednotkách:
- v procentech (například tato slitina obsahuje 1% hliníku);
- v molech (v této kapalině jsou rozpuštěny 3 moly chloridu sodného);
- v gramech (tento vzorek obsahuje 0,2 g uranu a 0,4 gramu thoria).
Někdy je analýza smíšená:kvalitativní i kvantitativní zároveň. Pokud si ale dřívější fyzici pamatovali polohu čar a odhadovali jejich odstín pomocí speciálních tabulek, nyní to vše dělají programy.
Aplikace spekter
Už jsme dostatečně podrobně vytřídili, coemise a absorpce světla atomy. Spektrální analýza je široce používána. Neexistuje jediná oblast lidské činnosti, kde by byl použit fenomén, o kterém uvažujeme. Zde jsou některé z nich:
- Na samém začátku článku jsme hovořili o chytrých telefonech. Polovodičové prvky křemíku se staly tak malými, částečně díky studiu krystalů pomocí spektrální analýzy.
- V každém případě je to jedinečnostelektronový obal každého atomu vám umožňuje určit, která kulka byla vypálena jako první, proč se zlomil rám auta nebo spadl věžový jeřáb, a také jakým jedem se člověk otrávil a jak dlouho ve vodě pobýval.
- Medicína využívá spektrální analýzu pro své účely nejčastěji ve vztahu k tělesným tekutinám, ale stává se, že je tato metoda aplikována i na tkáně.
- Vzdálené galaxie, mraky kosmického plynuplanety poblíž cizích hvězd - to vše je studováno pomocí světla a jeho rozkladu na spektra. Vědci se učí složení těchto objektů, jejich rychlost a procesy, které v nich probíhají, díky tomu, že dokážou zachytit a analyzovat fotony, které emitují nebo absorbují.
Elektromagnetická stupnice
Největší pozornost věnujeme viditelnému světlu.Ale v elektromagnetickém měřítku je tento segment velmi malý. To, co lidské oko nezachytí, je mnohem širší než sedm barev duhy. Mohou být emitovány a absorbovány nejen viditelné fotony (λ = 380-780 nanometrů), ale také další kvanta. Elektromagnetická stupnice obsahuje:
- Rádiové vlny (λ = 100 kilometrů) přenáší informace na dlouhé vzdálenosti. Díky jejich velmi dlouhé vlnové délce je jejich energie velmi nízká. Velmi snadno se vstřebávají.
- Terahertzové vlny (λ = 1-0,1 milimetru) bylo donedávna obtížné získat. Dříve byl jejich dosah zahrnut v rádiových vlnách, ale nyní je tento segment elektromagnetické stupnice zařazen do samostatné třídy.
- Infračervené vlny (λ = 0,74-2000 mikrometrů) přenášejí teplo. Oheň, lampa a Slunce je vydávají v hojnosti.
Uvažovali jsme o viditelném světle, takže o tom nebudeme psát podrobněji.
Ultrafialové vlny (λ = 10-400 nanometrů) jsou pro člověka smrtelnépřebytek, ale jejich nedostatek také způsobuje nevratné procesy. Naše centrální hvězda poskytuje mnoho ultrafialového záření a zemská atmosféra si většinu z něj zachovává.
Rtg a gama kvanta (λ <10 nanometrů) sdílejí společný rozsah, aleliší se původem. Abyste je získali, musíte urychlit elektrony nebo atomy na velmi vysoké rychlosti. Lidské laboratoře toho jsou schopné, ale v přírodě se takové energie nacházejí pouze uvnitř hvězd nebo při srážkách hmotných objektů. Příkladem posledně uvedeného procesu jsou výbuchy supernovy, absorpce hvězdy černou dírou, srážka dvou galaxií nebo galaxie a masivní oblak plynu.
Elektromagnetické vlny všech rozsahů, jmenovitějejich schopnost být emitována a absorbována atomy se uplatňuje v lidské činnosti. Bez ohledu na to, co si čtenář zvolil (nebo se právě chystá) jako svou životní cestu, určitě narazí na výsledky spektrálních studií. Prodejce používá moderní platební terminál jen proto, že vědec kdysi studoval vlastnosti látek a vytvořil mikročip. Zemědělec hnojí pole a nyní sbírá velké sklizně jen proto, že geolog kdysi objevil v hrudce rudy fosfor. Dívka nosí světlé oblečení jen díky vynálezu perzistentních chemických barviv.
Pokud ale chce čtenář propojit svůj život se světem vědy, pak bude muset studovat mnohem více než základní pojmy procesu emise a absorpce světelných kvant v atomech.
