L'emissione e l'assorbimento della luce da parte degli atomi. Origine degli spettri di linea

Questo articolo fornisce i concetti di base necessari per capire come gli atomi emettono e assorbono la luce. Descrive anche l'applicazione di questi fenomeni.

Smartphone e fisica

Una persona nata dopo il 1990, la suala vita senza una varietà di dispositivi elettronici non può immaginare. Lo smartphone non solo sostituisce il telefono, ma consente anche di monitorare i tassi di cambio, effettuare transazioni, chiamare un taxi e persino corrispondere con gli astronauti a bordo della ISS attraverso le loro applicazioni. Di conseguenza, tutti questi assistenti digitali sono dati per scontati. L'emissione e l'assorbimento della luce da parte degli atomi, grazie alla quale è diventata possibile l'era della riduzione di tutti i tipi di dispositivi, sembrerà a tali lettori solo un argomento noioso nelle lezioni di fisica. Ma in questa sezione di fisica ci sono molte cose interessanti ed eccitanti.

Prerequisiti teorici per la scoperta degli spettri

C'è un detto: "La curiosità non porterà al bene".Ma questa espressione si riferisce piuttosto al fatto che è meglio non interferire con le relazioni degli altri. Se mostri curiosità per il mondo che ti circonda, non accadrà nulla di male. Alla fine del diciannovesimo secolo, le persone iniziarono a capire la natura del magnetismo (è ben descritto nel sistema delle equazioni di Maxwell). La domanda successiva che gli scienziati volevano risolvere era la struttura della materia. È necessario chiarire subito: la stessa emissione e assorbimento della luce da parte degli atomi non è preziosa per la scienza. Gli spettri di riga sono una conseguenza di questo fenomeno e la base per lo studio della struttura delle sostanze.

struttura dell'atomo

Gli scienziati dell'antica Grecia hanno suggerito cheil marmo è costituito da alcuni pezzi indivisibili, "atomi". E fino alla fine del diciannovesimo secolo, la gente pensava che queste fossero le particelle più piccole della materia. Ma l'esperimento di Rutherford sulla dispersione di particelle pesanti su lamina d'oro ha mostrato che anche l'atomo ha una struttura interna. Il nucleo pesante è al centro ed è caricato positivamente, gli elettroni negativi leggeri ruotano attorno ad esso.

Paradossi atomici nel quadro della teoria di Maxwell

Questo dato ha dato origine a diversi paradossi:secondo le equazioni di Maxwell, qualsiasi particella carica in movimento emette un campo elettromagnetico, quindi perde energia. Perché, allora, gli elettroni non cadono sul nucleo, ma continuano a ruotare? Non era inoltre chiaro il motivo per cui ogni atomo assorbe o emette fotoni solo di una certa lunghezza d'onda. La teoria di Bohr ha permesso di eliminare queste incongruenze introducendo gli orbitali. Secondo i postulati di questa teoria, gli elettroni possono essere attorno al nucleo solo in questi orbitali. La transizione tra due stati vicini è accompagnata dall'emissione o dall'assorbimento di un quanto con una certa energia. L'emissione e l'assorbimento della luce da parte degli atomi avviene proprio per questo.

Lunghezza d'onda, frequenza, energia

Per un quadro più completo, devi direun po' di fotoni. Queste sono particelle elementari che non hanno massa a riposo. Esistono solo finché si muovono attraverso l'ambiente. Ma hanno ancora massa: colpendo la superficie, le trasferiscono un impulso, che sarebbe impossibile senza massa. Si limitano a convertire la loro massa in energia, rendendo un po' più calda la sostanza che colpiscono e che vengono assorbite. La teoria di Bohr non spiega questo fatto. Le proprietà di un fotone e le caratteristiche del suo comportamento sono descritte dalla fisica quantistica. Quindi, un fotone è sia un'onda che una particella con massa. Il fotone, e come onda, ha le seguenti caratteristiche: lunghezza (λ), frequenza (ν), energia (E). Maggiore è la lunghezza d'onda, minore è la frequenza e minore è l'energia.

spettro dell'atomo

Lo spettro atomico si forma in più fasi.

1. Un elettrone in un atomo si sposta dall'orbitale 2 (con maggiore energia) all'orbitale 1 (con minore energia).
2. Viene rilasciata una certa quantità di energia, che si forma come un quanto di luce (hν).
3. Questo quanto viene irradiato nello spazio circostante.

Quindi, si ottiene lo spettro di rigaatomo. Perché si chiama così, spiega la sua forma: quando dispositivi speciali "catturano" fotoni di luce in uscita, un numero di righe viene registrato sul dispositivo di registrazione. Per separare fotoni di diverse lunghezze d'onda si utilizza il fenomeno della diffrazione: onde con frequenze diverse hanno indice di rifrazione diverso, quindi alcune vengono deviate più di altre.

Proprietà delle sostanze e degli spettri

Lo spettro di righe di una sostanza è unico per tuttitipo di atomi. Cioè, l'idrogeno, quando emesso, darà una serie di linee e l'oro - un altro. Questo fatto è la base per l'applicazione della spettrometria. Avendo ricevuto lo spettro di qualsiasi cosa, puoi capire in cosa consiste la sostanza, come si trovano gli atomi in essa l'uno rispetto all'altro. Questo metodo consente anche di determinare varie proprietà dei materiali, spesso utilizzate dalla chimica e dalla fisica. L'assorbimento e l'emissione della luce da parte degli atomi è uno degli strumenti più comuni per studiare il mondo che ci circonda.

Svantaggi del metodo degli spettri di emissione

Fino a questo punto, si trattava piuttosto di comegli atomi emettono. Ma di solito tutti gli elettroni si trovano nei loro orbitali in uno stato di equilibrio, non hanno motivo di spostarsi in altri stati. Perché una sostanza emetta qualcosa, deve prima assorbire energia. Questo è lo svantaggio di un metodo che sfrutta l'assorbimento e l'emissione di luce da parte di un atomo. In breve, una sostanza deve prima essere riscaldata o illuminata prima di ottenere uno spettro. Non sorgeranno domande se uno scienziato studia le stelle, già brillano grazie ai propri processi interni. Ma se è necessario studiare un pezzo di minerale o un prodotto alimentare, allora per ottenere uno spettro, in realtà deve essere bruciato. Questo metodo non è sempre adatto.

Spettri di assorbimento

Emissione e assorbimento della luce da parte degli atomi come metodo"Funziona" in due direzioni. Puoi far brillare una luce a banda larga su una sostanza (cioè una in cui sono presenti fotoni di diverse lunghezze d'onda) e quindi vedere quali lunghezze d'onda vengono assorbite. Ma questo metodo non è sempre adatto: è imperativo che la sostanza sia trasparente per la parte desiderata della scala elettromagnetica.

Analisi qualitativa e quantitativa

È diventato chiaro:gli spettri sono unici per ogni sostanza. Il lettore potrebbe aver concluso che tale analisi viene utilizzata solo per determinare di che materiale è fatto. Tuttavia, le possibilità degli spettri sono molto più ampie. Con l'ausilio di particolari tecniche per considerare e riconoscere la larghezza e l'intensità delle linee risultanti, è possibile stabilire il numero di atomi inclusi nel composto. Inoltre, questo indicatore può essere espresso in diverse unità:

• in percentuale (ad esempio, questa lega contiene l'1% di alluminio);
• in moli (3 moli di cloruro di sodio si sciolgono in questo liquido);
• in grammi (questo campione contiene 0,2 g di uranio e 0,4 grammi di torio).

A volte l'analisi è mista:qualitativo e quantitativo allo stesso tempo. Ma se i fisici precedenti memorizzavano la posizione delle linee e stimavano la loro ombra usando tabelle speciali, ora tutto questo viene fatto dai programmi.

Applicazione degli spettri

Abbiamo già chiarito in modo sufficientemente dettagliato cosaemissione e assorbimento della luce da parte degli atomi. L'analisi spettrale è ampiamente utilizzata. Non esiste una sola area di attività umana, ovunque venga utilizzato il fenomeno che stiamo considerando. Ecco alcuni di loro:

1. All'inizio dell'articolo, abbiamo parlato di smartphone. Gli elementi semiconduttori di silicio sono diventati così piccoli, in parte grazie allo studio dei cristalli mediante l'analisi spettrale.
2. In ogni caso, è l'unicitàil guscio di elettroni di ciascun atomo consente di determinare quale proiettile è stato sparato per primo, perché il telaio dell'auto si è rotto o la gru a torre è caduta, nonché con quale tipo di veleno è stata avvelenata una persona e per quanto tempo è rimasta nell'acqua.
3. La medicina utilizza l'analisi spettrale per i propri scopi il più delle volte in relazione ai fluidi corporei, ma capita che questo metodo venga applicato anche ai tessuti.
4. Galassie lontane, nubi di gas cosmicopianeti vicino a stelle aliene: tutto questo è studiato con l'aiuto della luce e della sua decomposizione in spettri. Gli scienziati apprendono la composizione di questi oggetti, la loro velocità e i processi che si verificano in essi grazie al fatto che possono catturare e analizzare i fotoni che emettono o assorbono.

Bilancia elettromagnetica

Prestiamo la massima attenzione alla luce visibile.Ma sulla scala elettromagnetica, questo segmento è molto piccolo. Ciò che l'occhio umano non cattura è molto più ampio dei sette colori dell'arcobaleno. Non solo i fotoni visibili (λ = 380-780 nanometri), ma anche altri quanti possono essere emessi e assorbiti. La bilancia elettromagnetica comprende:

1. Onde radio (λ = 100 chilometri) trasmettono informazioni su lunghe distanze. A causa della loro lunghezza d'onda molto lunga, la loro energia è molto bassa. Sono molto facilmente assorbibili.
2. Onde terahertz (λ = 1-0,1 millimetri) erano difficili da ottenere fino a poco tempo fa. In precedenza, la loro gamma era inclusa nelle onde radio, ma ora questo segmento della scala elettromagnetica è assegnato a una classe separata.
3. Le onde infrarosse (λ = 0,74-2000 micrometri) trasferiscono calore. Un falò, una lampada, il Sole li emettono in abbondanza.

Abbiamo considerato la luce visibile, quindi non ne parleremo in modo più dettagliato.

Onde ultraviolette (λ = 10-400 nanometri) sono fatali per l'uomo ineccesso, ma la loro mancanza provoca anche processi irreversibili. La nostra stella centrale fornisce molta radiazione ultravioletta e l'atmosfera terrestre ne trattiene la maggior parte.

Raggi X e quanti gamma (λ <10 nanometri) hanno un intervallo comune, madifferiscono per origine. Per ottenerli, devi accelerare gli elettroni o gli atomi a velocità molto elevate. I laboratori umani sono capaci di questo, ma in natura tali energie si trovano solo all'interno delle stelle o nelle collisioni di oggetti massicci. Esempi di quest'ultimo processo sono le esplosioni di supernova, l'assorbimento di una stella da parte di un buco nero, la collisione di due galassie o di una galassia e una massiccia nube di gas.

Onde elettromagnetiche di tutte le portate, vale a direla loro capacità di essere emessa e assorbita dagli atomi è applicata nell'attività umana. Indipendentemente da ciò che il lettore ha scelto (o sta per scegliere) come percorso di vita, incontrerà sicuramente i risultati degli studi spettrali. Il venditore utilizza un moderno terminale di pagamento solo perché uno scienziato una volta ha studiato le proprietà delle sostanze e ha creato un microchip. Il contadino fertilizza i campi e ora sta raccogliendo grandi raccolti solo perché un geologo una volta ha scoperto il fosforo in un pezzo di minerale. La ragazza indossa abiti luminosi solo grazie all'invenzione di coloranti chimici persistenti.

Ma se il lettore vuole connettere la sua vita con il mondo della scienza, allora dovrà studiare molto di più dei concetti di base del processo di emissione e assorbimento dei quanti di luce negli atomi.