Valojen päästöt ja absorptio atomeilla. Viivaspektrien alkuperä

Tämä artikkeli sisältää peruskäsitteet, joita tarvitaan ymmärtämään, kuinka atomit emittoivat ja absorboivat valoa. Siinä kuvataan myös näiden ilmiöiden soveltamista.

Älypuhelin ja fysiikka

Vuoden 1990 jälkeen syntynyt henkilö, hänenelämää ilman erilaisia ​​elektronisia laitteita ei voi kuvitella. Älypuhelin ei ainoastaan ​​korvaa puhelinta, vaan mahdollistaa myös valuuttakurssien seurannan, asioinnin, taksin soittamisen ja jopa kirjeenvaihdon ISS:llä olevien astronautien kanssa sovellusten kautta. Näin ollen kaikkia näitä digitaalisia avustajia pidetään itsestäänselvyytenä. Atomien valon emissio ja absorptio, jonka ansiosta kaikenlaisten laitteiden vähentämisen aikakausi tuli mahdolliseksi, näyttää sellaisille lukijoille vain tylsältä aiheelta fysiikan tunneilla. Mutta tässä fysiikan osassa on paljon mielenkiintoisia ja jännittäviä asioita.

Teoreettiset edellytykset spektrien löytämiselle

On olemassa sanonta: "Uteliaisuus ei johda hyvään."Mutta tämä ilmaus viittaa pikemminkin siihen tosiasiaan, että on parempi olla puuttumatta muiden ihmisten suhteisiin. Jos osoitat uteliaisuuttasi ympäröivää maailmaa kohtaan, mitään pahaa ei tapahdu. 1800-luvun lopulla ihmiset alkoivat ymmärtää magnetismin luonnetta (se on hyvin kuvattu Maxwellin yhtälöjärjestelmässä). Seuraava kysymys, jonka tutkijat halusivat ratkaista, oli aineen rakenne. On tarpeen selventää heti: atomien valon emissio ja absorptio ei ole tieteen kannalta arvokasta. Viivaspektrit ovat tämän ilmiön seuraus ja perusta aineiden rakenteen tutkimukselle.

Atomirakenne

Muinaisen Kreikan tutkijat ehdottivat sitämarmori koostuu joistakin jakamattomista kappaleista, "atomeista". Ja 1800-luvun loppuun asti ihmiset luulivat, että nämä olivat aineen pienimpiä hiukkasia. Mutta Rutherfordin koe sirottaa raskaita hiukkasia kultakalvolle osoitti, että atomilla on myös sisäinen rakenne. Raskas ydin on keskellä ja on positiivisesti varautunut, kevyet negatiiviset elektronit pyörivät sen ympärillä.

Atomiparadokseja Maxwellin teorian puitteissa

Nämä tiedot ovat synnyttäneet useita paradokseja:Maxwellin yhtälöiden mukaan jokainen liikkuva varautunut hiukkanen lähettää sähkömagneettista kenttää, joten se menettää energiaa. Miksi sitten elektronit eivät putoa ytimen päälle, vaan jatkavat pyörimistä? Oli myös epäselvää, miksi jokainen atomi absorboi tai emittoi vain tietyn aallonpituuden fotoneja. Bohrin teoria teki mahdolliseksi poistaa nämä epäjohdonmukaisuudet ottamalla käyttöön kiertoradat. Tämän teorian postulaattien mukaan elektronit voivat olla ytimen ympärillä vain näillä kiertoradalla. Kahden naapuritilan väliseen siirtymiseen liittyy joko kvantin emissio tai absorptio tietyllä energialla. Atomien valon emissio ja absorptio tapahtuu juuri tästä syystä.

Aallonpituus, taajuus, energia

Täydellisen kuvan saamiseksi sinun on kerrottavavähän fotoneista. Nämä ovat alkuainehiukkasia, joilla ei ole lepomassaa. Ne ovat olemassa vain niin kauan kuin ne liikkuvat ympäristön läpi. Mutta niillä on silti massaa: osuessaan pintaan ne siirtävät siihen impulssin, mikä olisi mahdotonta ilman massaa. Ne yksinkertaisesti muuttavat massansa energiaksi, mikä tekee aineesta, johon he osuvat ja imevät, hieman lämpimämpää. Bohrin teoria ei selitä tätä tosiasiaa. Fotonin ominaisuuksia ja sen käyttäytymisen erityispiirteitä kuvailee kvanttifysiikka. Joten fotoni on sekä aalto että hiukkanen, jolla on massa. Fotonilla ja aallona on seuraavat ominaisuudet: pituus (λ), taajuus (ν), energia (E). Mitä pidempi aallonpituus, sitä pienempi taajuus ja pienempi energia.

Atomispektri

Atomispektri muodostuu useissa vaiheissa.

1. Atomissa oleva elektroni siirtyy kiertoradalta 2 (suuremmalla energialla) kiertoradalle 1 (pienemmällä energialla).
2. Tietty määrä energiaa vapautuu, joka muodostuu valon kvanttina (hν).
3. Tämä kvantti säteilee ympäröivään tilaan.

Siten saadaan viivaspektriatomi. Miksi sitä kutsutaan tällä tavalla, selittää sen muoto: kun erikoislaitteet "saappaavat" lähteviä valofotoneja, rekisteröintilaitteeseen tallennetaan useita juovia. Eri aallonpituuksien fotonien erottamiseen käytetään diffraktioilmiötä: eri taajuuksilla olevilla aalloilla on erilaiset taitekertoimet, joten jotkut poikkeavat enemmän kuin toiset.

Aineiden ominaisuudet ja spektrit

Aineen viivaspektri on ainutlaatuinen kaikilleeräänlaisia ​​atomeja. Toisin sanoen vety, kun se vapautuu, antaa yhden joukon viivoja ja kulta - toisen. Tämä tosiasia on perusta spektrometrian soveltamiselle. Saatuaan minkä tahansa spektrin voit ymmärtää, mistä aine koostuu, kuinka atomit sijaitsevat siinä suhteessa toisiinsa. Tällä menetelmällä voidaan myös määrittää erilaisia ​​materiaalien ominaisuuksia, joita kemia ja fysiikka usein käyttävät. Atomien valon absorptio ja emissio on yksi yleisimmistä työkaluista ympäröivän maailman tutkimiseen.

Emissiospektrimenetelmän haitat

Tähän asti kyse oli pikemminkin siitä, mitenatomit säteilevät. Mutta yleensä kaikki elektronit ovat kiertoradoillaan tasapainotilassa, niillä ei ole mitään syytä siirtyä muihin tiloihin. Jotta aine säteilee jotain, sen täytyy ensin absorboida energiaa. Tämä on menetelmän haittapuoli, joka hyödyntää atomin valon absorptiota ja emissiota. Lyhyesti sanottuna ainetta täytyy ensin lämmittää tai valaista ennen kuin saamme spektrin. Kysymyksiä ei synny, jos tiedemies tutkii tähtiä, ne loistavat jo omien sisäisten prosessiensa ansiosta. Mutta jos on tutkittava pala malmia tai elintarviketuotetta, niin spektrin saamiseksi se on poltettava. Tämä menetelmä ei ole aina sopiva.

Absorptiospektrit

Atomien valon emissio ja absorptio menetelmänä"Toimii" kahteen suuntaan. Voit valaista laajakaistavaloa aineelle (eli sellaiselle, jossa on eri aallonpituuksilla olevia fotoneja) ja sitten nähdä, mitkä aallonpituudet absorboituvat. Mutta tämä menetelmä ei ole aina sopiva: on välttämätöntä, että aine on läpinäkyvä sähkömagneettisen asteikon halutussa osassa.

Laadullinen ja määrällinen analyysi

Tuli selväksi:spektrit ovat yksilöllisiä jokaiselle aineelle. Lukija olisi voinut päätellä, että tällaista analyysiä käytetään vain sen määrittämiseen, mistä materiaali on tehty. Spektrien mahdollisuudet ovat kuitenkin paljon laajemmat. Käyttämällä erityisiä tekniikoita tuloksena olevien viivojen leveyden ja intensiteetin huomioimiseksi ja tunnistamiseksi on mahdollista määrittää yhdisteen sisältämien atomien lukumäärä. Lisäksi tämä indikaattori voidaan ilmaista eri yksiköissä:

• prosentteina (esimerkiksi tämä seos sisältää 1 % alumiinia);
• mooleina (3 moolia natriumkloridia on liuennut tähän nesteeseen);
• grammoina (tämä näyte sisältää 0,2 g uraania ja 0,4 g toriumia).

Joskus analyysi on sekalaista:laadullinen ja määrällinen samaan aikaan. Mutta jos aiemmat fyysikot muistivat viivojen sijainnin ja arvioivat niiden sävyn erityisillä taulukoilla, nyt kaikki tämä tehdään ohjelmilla.

Spektrien soveltaminen

Olemme jo selvittäneet riittävän yksityiskohtaisesti, mitäatomien valon emissio ja absorptio. Spektrianalyysiä käytetään laajalti. Ei ole olemassa yhtä ihmisen toiminnan aluetta, jossa tarkastelemaamme ilmiötä käytetään. Tässä on joitain niistä:

1. Aivan artikkelin alussa puhuimme älypuhelimista. Piipuolijohdeelementeistä on tullut niin pieniä, kiitos osittain spektrianalyysin avulla tehdyn kiteiden tutkimuksen.
2. Joka tapauksessa se on ainutlaatuisuuskunkin atomin elektronikuoren avulla voit määrittää, mikä luoti ammuttiin ensin, miksi auton runko rikkoutui tai torninosturi putosi, sekä millaisella myrkyllä ​​henkilö myrkytettiin ja kuinka kauan hän viipyi vedessä.
3. Lääketiede käyttää spektrianalyysiä omiin tarkoituksiinsa useimmiten kehon nesteiden suhteen, mutta sattuu olemaan, että tätä menetelmää sovelletaan myös kudoksiin.
4. Kaukaisia ​​galakseja, kosmisen kaasun pilviäplaneetat lähellä vieraita tähtiä - kaikkea tätä tutkitaan valon avulla ja sen hajoaminen spektreiksi. Tiedemiehet oppivat näiden esineiden koostumuksen, nopeuden ja niissä tapahtuvat prosessit, koska he voivat siepata ja analysoida lähettämiään tai absorboimiaan fotoneja.

Sähkömagneettinen asteikko

Kiinnitämme eniten huomiota näkyvään valoon.Mutta sähkömagneettisella mittakaavalla tämä segmentti on hyvin pieni. Se, mitä ihmissilmä ei saa kiinni, on paljon leveämpää kuin sateenkaaren seitsemän väriä. Ei vain näkyviä fotoneja (λ = 380-780 nanometriä), vaan myös muita kvantteja voidaan emittoida ja absorboida. Sähkömagneettinen asteikko sisältää:

1. Radioaallot (λ = 100 kilometriä) välittää tietoa pitkiä matkoja. Niiden erittäin pitkän aallonpituuden vuoksi niiden energia on hyvin alhainen. Ne imeytyvät erittäin helposti.
2. Terahertsin aallot (λ = 1-0,1 millimetriä) oli vaikea saada viime aikoihin asti. Aiemmin niiden kantama sisältyi radioaalloille, mutta nyt tämä sähkömagneettisen asteikon segmentti on varattu erilliseen luokkaan.
3. Infrapuna-aallot (λ = 0,74-2000 mikrometriä) siirtävät lämpöä. Nuotio, lamppu, aurinko säteilee niitä runsaasti.

Olemme ottaneet huomioon näkyvän valon, joten emme kirjoita siitä tarkemmin.

Ultravioletti aallot (λ = 10-400 nanometriä) ovat hengenvaarallisia ihmisilleliikaa, mutta niiden puute aiheuttaa myös peruuttamattomia prosesseja. Keskitähteemme tuottaa paljon ultraviolettisäteilyä, ja maapallon ilmakehä säilyttää suurimman osan siitä.

Röntgen- ja gamma-kvantit (λ <10 nanometriä) on yhteinen alue, muttaeroavat alkuperästä. Niiden saamiseksi sinun on kiihdytettävä elektroneja tai atomeja erittäin suuriin nopeuksiin. Ihmislaboratoriot pystyvät tähän, mutta luonnossa tällaisia ​​energioita löytyy vain tähtien sisältä tai massiivisten esineiden törmäyksistä. Esimerkkejä jälkimmäisestä prosessista ovat supernovaräjähdykset, tähden absorptio mustaan ​​aukkoon, kahden galaksin tai galaksin ja massiivisen kaasupilven törmäys.

Kaikkien alueiden sähkömagneettiset aallot, nimittäinNiiden kykyä säteillä ja absorboida atomeja käytetään ihmisen toiminnassa. Riippumatta siitä, minkä lukija on valinnut (tai juuri valitsemassa) elämäpolukseen, hän tulee ehdottomasti törmäämään spektritutkimusten tuloksiin. Myyjä käyttää nykyaikaista maksupäätettä vain siksi, että tiedemies tutki kerran aineiden ominaisuuksia ja loi mikrosirun. Viljelijä lannoittaa peltoja ja kerää nyt suuria satoja vain siksi, että geologi löysi kerran fosforin malmipalasta. Tyttö käyttää kirkkaita asuja vain pysyvien kemiallisten väriaineiden keksimisen ansiosta.

Mutta jos lukija haluaa yhdistää elämänsä tieteen maailmaan, hänen on opittava paljon enemmän kuin peruskäsitteet valokvanttien emissio- ja absorptioprosessista atomeissa.