Dieser Artikel enthält die grundlegenden Konzepte, die erforderlich sind, um zu verstehen, wie Atome Licht emittieren und absorbieren. Es beschreibt auch die Anwendung dieser Phänomene.
Smartphone und Physik
Eine Person, die nach 1990 geboren wurde, seineEin Leben ohne eine Vielzahl von elektronischen Geräten kann man sich nicht vorstellen. Das Smartphone ersetzt nicht nur das Telefon, sondern ermöglicht es auch, Wechselkurse zu überwachen, Transaktionen durchzuführen, ein Taxi zu rufen und über seine Anwendungen sogar mit Astronauten an Bord der ISS zu korrespondieren. Dementsprechend sind alle diese digitalen Assistenten eine Selbstverständlichkeit. Die Emission und Absorption von Licht durch Atome, dank derer die Ära der Reduktion aller Arten von Geräten möglich wurde, wird solchen Lesern im Physikunterricht nur ein langweiliges Thema erscheinen. Aber in diesem Bereich der Physik gibt es viele interessante und aufregende Dinge.
Theoretische Voraussetzungen für die Entdeckung von Spektren
Es gibt ein Sprichwort: "Neugier wird nicht zum Guten führen." Dieser Ausdruck bezieht sich jedoch eher auf die Tatsache, dass es besser ist, die Beziehungen anderer Menschen nicht zu beeinträchtigen. Wenn Sie neugierig auf die Welt um Sie herum sind, wird nichts Schlimmes passieren. Am Ende des neunzehnten Jahrhunderts begannen die Menschen, die Natur des Magnetismus zu verstehen (er ist im System der Maxwellschen Gleichungen gut beschrieben). Die nächste Frage, die Wissenschaftler lösen wollten, war die Struktur der Materie. Es muss sofort klargestellt werden: Die bloße Emission und Absorption von Licht durch Atome ist für die Wissenschaft nicht wertvoll. Linienspektren sind eine Folge dieses Phänomens und die Grundlage für die Untersuchung der Struktur von Substanzen.
Atomstruktur
Wissenschaftler im antiken Griechenland schlugen dies vorMarmor besteht aus einigen unteilbaren Stücken, "Atomen". Und bis zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts dachten die Menschen, dies seien die kleinsten Materieteilchen. Rutherfords Experiment zur Streuung schwerer Partikel auf Goldfolie zeigte jedoch, dass das Atom auch eine innere Struktur aufweist. Der schwere Kern befindet sich in der Mitte und ist positiv geladen, die leichten negativen Elektronen drehen sich um ihn.
Atomare Paradoxien im Rahmen der Maxwellschen Theorie
Diese Daten haben zu mehreren Paradoxien geführt:nach den Maxwell-Gleichungen sendet jedes sich bewegende geladene Teilchen ein elektromagnetisches Feld aus und verliert daher Energie. Warum fallen die Elektronen dann nicht auf den Kern, sondern drehen sich weiter? Unklar war auch, warum jedes Atom Photonen einer bestimmten Wellenlänge absorbiert oder emittiert. Bohrs Theorie ermöglichte es, diese Inkonsistenzen durch die Einführung von Orbitalen zu beseitigen. Nach den Postulaten dieser Theorie können sich Elektronen nur in diesen Orbitalen um den Kern befinden. Der Übergang zwischen zwei benachbarten Zuständen wird entweder von der Emission oder Absorption eines Quants mit einer bestimmten Energie begleitet. Die Emission und Absorption von Licht durch Atome erfolgt genau deswegen.
Wellenlänge, Frequenz, Energie
Für ein vollständigeres Bild müssen Sie sagenein wenig über Photonen. Dies sind Elementarteilchen, die keine Ruhemasse haben. Sie existieren nur, solange sie sich durch die Umwelt bewegen. Aber sie haben immer noch Masse: Beim Auftreffen auf die Oberfläche übertragen sie einen Impuls darauf, was ohne Masse unmöglich wäre. Sie wandeln nur ihre Masse in Energie um, wodurch die auf sie treffende und absorbierte Substanz etwas wärmer wird. Bohrs Theorie erklärt diese Tatsache nicht. Die Eigenschaften eines Photons und die Besonderheiten seines Verhaltens werden durch die Quantenphysik beschrieben. Ein Photon ist also sowohl eine Welle als auch ein Teilchen mit Masse. Photon und als Welle hat die folgenden Eigenschaften: Länge (λ), Frequenz (ν), Energie (E). Je länger die Wellenlänge, desto niedriger die Frequenz und desto niedriger die Energie.
Atomspektrum
Das Atomspektrum wird in mehreren Stufen gebildet.
- Ein Elektron in einem Atom bewegt sich von Orbital 2 (mit höherer Energie) in Orbital 1 (mit niedrigerer Energie).
- Dabei wird eine bestimmte Energiemenge freigesetzt, die als Lichtquant (hν) gebildet wird.
- Dieses Quant wird in den umgebenden Raum abgestrahlt.
Damit erhält man das LinienspektrumAtom. Warum es so heißt, erklärt seine Form: Wenn spezielle Geräte ausgehende Lichtphotonen "fangen", werden auf dem Registriergerät mehrere Zeilen aufgezeichnet. Um Photonen unterschiedlicher Wellenlänge zu trennen, wird das Phänomen der Beugung genutzt: Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen haben unterschiedliche Brechungsindizes, daher werden einige stärker abgelenkt als andere.
Stoffeigenschaften und Spektren
Das Linienspektrum einer Substanz ist für jeden einzigartigArt von Atomen. Das heißt, Wasserstoff gibt bei der Emission einen Satz von Linien und Gold - einen anderen. Diese Tatsache ist die Grundlage für die Anwendung der Spektrometrie. Nachdem Sie das Spektrum von allem erhalten haben, können Sie verstehen, woraus die Substanz besteht und wie sich die Atome darin relativ zueinander befinden. Mit dieser Methode lassen sich auch verschiedene Eigenschaften von Materialien bestimmen, was häufig von der Chemie und Physik verwendet wird. Die Absorption und Emission von Licht durch Atome ist eines der häufigsten Werkzeuge, um die Welt um uns herum zu studieren.
Nachteile der Emissionsspektrenmethode
Bisher ging es eher darum, wieAtome emittieren. Aber normalerweise befinden sich alle Elektronen in ihren Orbitalen in einem Gleichgewichtszustand, sie haben keinen Grund, in andere Zustände zu wechseln. Damit ein Stoff etwas emittieren kann, muss er zunächst Energie aufnehmen. Dies ist der Nachteil eines Verfahrens, das die Absorption und Emission von Licht durch ein Atom ausnutzt. Kurz gesagt, eine Substanz muss zuerst erhitzt oder beleuchtet werden, bevor wir ein Spektrum erhalten. Wenn ein Wissenschaftler Sterne studiert, stellen sich keine Fragen, sie glänzen bereits durch ihre eigenen internen Prozesse. Wenn es jedoch erforderlich ist, ein Stück Erz oder ein Lebensmittel zu untersuchen, muss es tatsächlich verbrannt werden, um ein Spektrum zu erhalten. Diese Methode ist nicht immer geeignet.
Absorptionsspektren
Emission und Absorption von Licht durch Atome als Methode"Funktioniert" in zwei Richtungen. Sie können eine Substanz (dh eine Substanz, in der Photonen unterschiedlicher Wellenlänge vorhanden sind) mit Breitbandlicht bestrahlen und dann sehen, welche Wellenlängen absorbiert werden. Diese Methode ist jedoch nicht immer geeignet: Es ist zwingend erforderlich, dass die Substanz für den gewünschten Teil der elektromagnetischen Skala transparent ist.
Qualitative und quantitative Analyse
Es wurde klar:Spektren sind für jede Substanz einzigartig. Der Leser könnte den Schluss gezogen haben, dass eine solche Analyse nur verwendet wird, um festzustellen, woraus das Material besteht. Die Möglichkeiten von Spektren sind jedoch viel breiter. Unter Verwendung spezieller Techniken zur Betrachtung und Erkennung der Breite und Intensität der resultierenden Linien ist es möglich, die Anzahl der in der Verbindung enthaltenen Atome zu bestimmen. Darüber hinaus kann dieser Indikator in verschiedenen Einheiten ausgedrückt werden:
- als Prozentsatz (diese Legierung enthält beispielsweise 1 % Aluminium);
- in Mol (3 Mol Natriumchlorid werden in dieser Flüssigkeit gelöst);
- in Gramm (diese Probe enthält 0,2 g Uran und 0,4 Gramm Thorium).
Manchmal ist die Analyse gemischt:qualitativ und quantitativ zugleich. Aber wenn frühere Physiker die Position der Linien auswendig gelernt und ihre Schattierung anhand spezieller Tabellen geschätzt haben, wird dies jetzt von Programmen erledigt.
Anwendung von Spektren
Wir haben bereits ausreichend detailliert aussortiert, was istEmission und Absorption von Licht durch Atome. Spektralanalyse ist weit verbreitet. Es gibt keinen einzigen Bereich der menschlichen Tätigkeit, in dem das von uns betrachtete Phänomen verwendet wird. Hier sind einige davon:
- Ganz am Anfang des Artikels haben wir über Smartphones gesprochen. Halbleiterelemente aus Silizium sind so klein geworden, zum Teil dank der Untersuchung von Kristallen mittels Spektralanalyse.
- In jedem Fall ist es die EinzigartigkeitAnhand der Elektronenhülle jedes Atoms lässt sich feststellen, welches Geschoss zuerst abgefeuert wurde, warum der Autorahmen gebrochen oder der Turmdrehkran abgestürzt ist, mit welchem Gift ein Mensch vergiftet wurde und wie lange er im Wasser blieb.
- Die Medizin verwendet die Spektralanalyse für ihre eigenen Zwecke am häufigsten in Bezug auf Körperflüssigkeiten, aber es kommt vor, dass diese Methode auch auf Gewebe angewendet wird.
- Entfernte Galaxien, Wolken aus kosmischem GasPlaneten in der Nähe fremder Sterne - all dies wird mit Hilfe von Licht und seiner Zerlegung in Spektren untersucht. Die Zusammensetzung dieser Objekte, ihre Geschwindigkeit und die in ihnen ablaufenden Prozesse lernen Wissenschaftler dadurch, dass sie die von ihnen emittierten oder absorbierten Photonen einfangen und analysieren können.
Elektromagnetische Waage
Dem sichtbaren Licht schenken wir die meiste Aufmerksamkeit.Aber auf der elektromagnetischen Skala ist dieses Segment sehr klein. Was das menschliche Auge nicht erfasst, ist viel breiter als die sieben Farben des Regenbogens. Es können nicht nur sichtbare Photonen (λ = 380-780 Nanometer), sondern auch andere Quanten emittiert und absorbiert werden. Die elektromagnetische Waage umfasst:
- Radiowellen (λ = 100 Kilometer) übertragen Informationen über weite Distanzen. Aufgrund ihrer sehr langen Wellenlänge ist ihre Energie sehr gering. Sie werden sehr leicht absorbiert.
- Terahertz-Wellen (λ = 1-0,1 Millimeter) waren bis vor kurzem schwer zu bekommen. Früher war ihre Reichweite in Funkwellen enthalten, aber jetzt wird dieses Segment der elektromagnetischen Skala einer eigenen Klasse zugeordnet.
- Infrarotwellen (λ = 0,74-2000 Mikrometer) übertragen Wärme. Ein Lagerfeuer, eine Lampe, die Sonne strahlt sie in Hülle und Fülle aus.
Wir haben sichtbares Licht in Betracht gezogen, daher werden wir nicht näher darüber schreiben.
Ultraviolette Wellen (λ = 10-400 Nanometer) sind für den Menschen tödlich inÜberschuss, aber ihr Mangel verursacht auch irreversible Prozesse. Unser Zentralstern liefert viel ultraviolette Strahlung, und die Erdatmosphäre behält den größten Teil davon.
Röntgen- und Gammaquanten (λ <10 Nanometer) teilen einen gemeinsamen Bereich, aberunterscheiden sich in der Herkunft. Um sie zu erhalten, müssen Sie Elektronen oder Atome auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Menschliche Labors sind dazu in der Lage, aber in der Natur findet man solche Energien nur in Sternen oder bei Kollisionen massereicher Objekte. Ein Beispiel für letzteren Prozess sind Supernova-Explosionen, die Absorption eines Sterns durch ein Schwarzes Loch, die Kollision zweier Galaxien oder einer Galaxie und einer massiven Gaswolke.
Elektromagnetische Wellen aller Reichweiten, nämlichihre Fähigkeit, von Atomen emittiert und absorbiert zu werden, wird in der menschlichen Tätigkeit verwendet. Unabhängig davon, was der Leser als seinen Lebensweg gewählt hat (oder gerade wählen wird), wird er auf jeden Fall auf die Ergebnisse von Spektralstudien stoßen. Der Verkäufer nutzt ein modernes Bezahlterminal nur, weil ein Wissenschaftler einst die Eigenschaften von Stoffen untersucht und einen Mikrochip entwickelt hat. Der Bauer düngt die Felder und erntet jetzt nur noch große Ernten, weil ein Geologe einst Phosphor in einem Erzklumpen entdeckt hat. Das Mädchen trägt nur dank der Erfindung hartnäckiger chemischer Farbstoffe helle Outfits.
Aber wenn der Leser sein Leben mit der Welt der Wissenschaft verbinden möchte, muss er viel mehr studieren als die Grundkonzepte des Prozesses der Emission und Absorption von Lichtquanten in Atomen.
