Ez a cikk azokat az alapvető fogalmakat tartalmazza, amelyek ahhoz szükségesek, hogy megértsük, hogyan bocsátanak ki és nyelnek el az atomok a fényt. Leírja e jelenségek alkalmazását is.
Okostelefon és fizika
Egy személy, aki 1990 után született, az övéElképzelhetetlen az élet különféle elektronikus eszközök nélkül. Az okostelefon nem csak a telefont helyettesíti, hanem lehetővé teszi az árfolyamok nyomon követését, a tranzakciók lebonyolítását, a taxihívást, sőt, az ISS fedélzetén tartózkodó űrhajósokkal való levelezést is alkalmazásaikon keresztül. Ennek megfelelően ezeket a digitális asszisztenseket természetesnek tekintik. A fény atomok általi kibocsátása és abszorpciója, amelynek köszönhetően lehetővé vált mindenféle eszköz redukciójának korszaka, az ilyen olvasók számára csak unalmas témának tűnik a fizikaórákon. De a fizika ezen részében sok érdekes és izgalmas dolog van.
A spektrumok felfedezésének elméleti előfeltételei
Van egy mondás: "A kíváncsiság nem vezet jóra."De ez a kifejezés inkább arra utal, hogy jobb, ha nem avatkozik bele mások kapcsolataiba. Ha kíváncsi vagy a körülötted lévő világra, semmi rossz nem fog történni. A tizenkilencedik század végén az emberek kezdték megérteni a mágnesesség természetét (jól leírja a Maxwell-egyenletrendszer). A következő kérdés, amelyet a tudósok meg akartak oldani, az anyag szerkezete volt. Azonnal tisztázni kell: maga az atomok fénykibocsátása és elnyelése nem értékes a tudomány számára. A vonalspektrumok ennek a jelenségnek a következményei és az anyagok szerkezetének vizsgálatának alapjai.
Atomszerkezet
Az ókori Görögország tudósai azt javasoltáka márvány néhány oszthatatlan darabból, "atomból" áll. És egészen a 19. század végéig az emberek azt hitték, hogy ezek az anyag legkisebb részecskéi. De Rutherford kísérlete a nehéz részecskék aranyfóliára történő szórásával azt mutatta, hogy az atomnak belső szerkezete is van. A nehéz mag a középpontban van és pozitív töltésű, a könnyű negatív elektronok körülötte keringenek.
Atomparadoxonok Maxwell elméletének keretében
Ez az adat több paradoxont is felvet:A Maxwell-egyenletek szerint minden mozgó töltött részecske elektromágneses teret bocsát ki, ezért energiát veszít. Akkor miért nem esnek az elektronok az atommagra, hanem tovább forognak? Az sem világos, hogy az egyes atomok miért csak egy bizonyos hullámhosszú fotonokat nyelnek el vagy bocsátanak ki. Bohr elmélete lehetővé tette ezen ellentmondások kiküszöbölését pályák bevezetésével. Ennek az elméletnek a posztulátumai szerint az elektronok csak ezeken a pályákon lehetnek az atommag körül. A két szomszédos állapot közötti átmenet egy bizonyos energiájú kvantum kibocsátásával vagy abszorpciójával jár együtt. A fény atomok általi kibocsátása és elnyelése éppen emiatt következik be.
Hullámhossz, frekvencia, energia
A teljesebb kép érdekében el kell mondaniaegy kicsit a fotonokról. Ezek olyan elemi részecskék, amelyeknek nincs nyugalmi tömegük. Csak addig léteznek, amíg áthaladnak a környezetben. De még mindig van tömegük: a felszínre ütközve impulzust adnak át neki, ami tömeg nélkül lehetetlen lenne. Tömegüket egyszerűen energiává alakítják át, így az anyag, amelyet eltalálnak és felszívnak, kissé melegebbé teszik. Bohr elmélete nem magyarázza ezt a tényt. A foton tulajdonságait és viselkedésének sajátosságait a kvantumfizika írja le. Tehát a foton egyszerre hullám és tömegű részecske. A fotonnak és mint hullámnak a következő jellemzői vannak: hosszúság (λ), frekvencia (ν), energia (E). Minél hosszabb a hullámhossz, annál alacsonyabb a frekvencia és annál alacsonyabb az energia.
Atom spektrum
Az atomspektrum több szakaszban alakul ki.
- Az atomban lévő elektron a 2-es pályáról (nagyobb energiájú) az 1-es pályára (kisebb energiájú) mozog.
- Egy bizonyos mennyiségű energia szabadul fel, amely fénykvantumként (hν) képződik.
- Ez a kvantum kibocsátódik a környező térbe.
Így megkapjuk a vonalspektrumotatom. Hogy miért nevezik így, az megmagyarázza a formáját: amikor speciális eszközök „elfogják” a kimenő fényfotonokat, számos sor kerül rögzítésre a regisztráló eszközön. A különböző hullámhosszú fotonok szétválasztására a diffrakció jelenségét alkalmazzák: a különböző frekvenciájú hullámok eltérő törésmutatókkal rendelkeznek, ezért egyesek jobban eltérnek, mint mások.
Anyagok és spektrumok tulajdonságai
Egy anyag vonalspektruma mindenki számára egyedifajta atomok. Vagyis a hidrogén kibocsátása esetén egy vonalkészletet ad, az arany pedig egy másikat. Ez a tény a spektrometria alkalmazásának alapja. Miután megkapta bárminek a spektrumát, megértheti, miből áll az anyag, hogyan helyezkednek el benne az atomok egymáshoz képest. Ez a módszer lehetővé teszi az anyagok különféle tulajdonságainak meghatározását is, amit a kémia és a fizika gyakran használ. A fény atomok általi elnyelése és kibocsátása az egyik leggyakoribb eszköz a minket körülvevő világ tanulmányozására.
Az emissziós spektrum módszer hátrányai
Eddig inkább a hogyanról volt szóatomok bocsátanak ki. De általában minden elektron egyensúlyi állapotban van a pályáján, nincs okuk más állapotokba költözni. Ahhoz, hogy egy anyag kibocsásson valamit, először energiát kell elnyelnie. Ez a hátránya annak a módszernek, amely kihasználja az atom általi fényelnyelést és -kibocsátást. Röviden: egy anyagot először fel kell melegíteni vagy meg kell világítani, mielőtt spektrumot kapnánk. Kérdések nem merülnek fel, ha egy tudós csillagokat tanulmányoz, azok már saját belső folyamataiknak köszönhetően ragyognak. De ha egy ércdarabot vagy élelmiszerterméket kell tanulmányozni, akkor a spektrum megszerzéséhez valójában el kell égetni. Ez a módszer nem mindig megfelelő.
Abszorpciós spektrumok
Fényemisszió és -abszorpció atomok által, mint módszerKét irányban "működik". Megvilágíthat egy szélessávú fényt egy anyagra (vagyis olyanra, amelyben különböző hullámhosszú fotonok vannak jelen), majd megnézheti, hogy milyen hullámhosszakat nyelnek el. Ez a módszer azonban nem mindig megfelelő: elengedhetetlen, hogy az anyag átlátszó legyen az elektromágneses skála kívánt részén.
Minőségi és mennyiségi elemzés
Világossá vált:A spektrumok minden anyag esetében egyediek. Az olvasó arra a következtetésre juthatott, hogy az ilyen elemzést csak annak meghatározására használják, hogy miből áll az anyag. A spektrumok lehetőségei azonban sokkal szélesebbek. A kapott vonalak szélességének és intenzitásának figyelembevételére és felismerésére szolgáló speciális technikák segítségével megállapítható a vegyületben lévő atomok száma. Ezenkívül ez a mutató különböző mértékegységekben fejezhető ki:
- százalékban (például ez az ötvözet 1% alumíniumot tartalmaz);
- molban (3 mol nátrium-klorid van feloldva ebben a folyadékban);
- grammban (ez a minta 0,2 g uránt és 0,4 g tóriumot tartalmaz).
Néha az elemzés vegyes:minőségi és mennyiségi is egyben. De ha a korábbi fizikusok megjegyezték a vonalak helyzetét, és speciális táblázatok segítségével becsülték meg árnyékukat, most mindezt programok teszik meg.
A spektrumok alkalmazása
Azt már kellő részletességgel rendeztük, hogy mitaz atomok fénykibocsátása és elnyelése. A spektrális elemzést széles körben használják. Az emberi tevékenységnek nincs egyetlen olyan területe, ahol az általunk vizsgált jelenséget felhasználnák. Íme néhány közülük:
- A cikk elején az okostelefonokról beszéltünk. A szilícium félvezető elemek olyan kicsikké váltak, részben a kristályok spektrális elemzéssel történő tanulmányozásának köszönhetően.
- Minden esetben ez az egyediségaz egyes atomok elektronhéja lehetővé teszi annak meghatározását, hogy melyik golyó lőtt ki először, miért tört el az autó váza vagy esett le a toronydaru, valamint hogy milyen méreggel mérgezték meg az embert, és mennyi ideig tartózkodott a vízben.
- A spektrális elemzést az orvostudomány saját célra leggyakrabban testnedvekkel kapcsolatban alkalmazza, de előfordul, hogy szövetekre is alkalmazzák ezt a módszert.
- Távoli galaxisok, kozmikus gázfelhőkbolygók idegen csillagok közelében - mindezt a fény segítségével és annak spektrumokra való bomlásával tanulmányozzák. A tudósok megtanulják ezen objektumok összetételét, sebességét és a bennük zajló folyamatokat annak köszönhetően, hogy képesek rögzíteni és elemezni az általuk kibocsátott vagy elnyelt fotonokat.
Elektromágneses skála
A legnagyobb figyelmet a látható fényre fordítjuk.De az elektromágneses skálán ez a szegmens nagyon kicsi. Amit az emberi szem nem rögzít, az sokkal szélesebb, mint a szivárvány hét színe. Nemcsak látható fotonok (λ = 380-780 nanométer), hanem más kvantumok is kibocsáthatók és elnyelhetők. Az elektromágneses skála a következőket tartalmazza:
- Rádióhullámok (λ = 100 kilométer) nagy távolságra továbbítanak információt. Nagyon hosszú hullámhosszuk miatt nagyon alacsony az energiájuk. Nagyon könnyen felszívódnak.
- Terahertz hullámok (λ = 1-0,1 milliméter) a közelmúltig nehéz volt megszerezni. Korábban hatótávolságukat a rádióhullámok közé sorolták, de most az elektromágneses skála ezen szegmensét külön osztályba sorolták.
- Az infravörös hullámok (λ = 0,74-2000 mikrométer) hőt adnak át. Máglya, lámpa, a Nap bőséggel bocsátja ki őket.
Figyelembe vettük a látható fényt, ezért nem írunk róla részletesebben.
Ultraibolya hullámok (λ = 10-400 nanométer) végzetesek az emberre nézvetöbblet, de hiányuk visszafordíthatatlan folyamatokat is okoz. Központi csillagunk sok ultraibolya sugárzást biztosít, és ennek nagy részét a Föld légköre tartja vissza.
Röntgen- és gamma-kvantumok (λ <10 nanométer) közös tartományuk van, deszármazásukban különböznek. Megszerzésükhöz nagyon nagy sebességre kell gyorsítani az elektronokat vagy az atomokat. Az emberi laboratóriumok képesek erre, de a természetben ilyen energiák csak a csillagok belsejében vagy hatalmas objektumok ütközésekor találhatók meg. Ez utóbbi folyamatra példák a szupernóva-robbanások, egy csillag elnyelése egy fekete lyukban, két galaxis vagy egy galaxis és egy hatalmas gázfelhő ütközése.
Minden tartományba tartozó elektromágneses hullámok, nevezetesenatomok általi kibocsátási és elnyelési képességüket az emberi tevékenységben alkalmazzák. Függetlenül attól, hogy az olvasó mit választott (vagy éppen választani készül) életútjául, mindenképpen találkozni fog a spektrális vizsgálatok eredményeivel. Az eladó csak azért használ modern fizetési terminált, mert egy tudós egyszer tanulmányozta az anyagok tulajdonságait, és létrehozta a mikrochipet. A gazda trágyázza a földeket, és most csak azért gyűjt nagy termést, mert egy geológus egyszer foszfort fedezett fel egy ércdarabban. A lány csak a tartós kémiai festékek feltalálásának köszönhetően visel fényes ruhákat.
De ha az olvasó össze akarja kötni életét a tudomány világával, akkor sokkal többet kell tanulmányoznia, mint a fénykvantumok atomokban való kibocsátásának és abszorpciójának folyamatának alapfogalmait.
