이 기사는 원자가 빛을 방출하고 흡수하는 방법을 이해하는 데 필요한 기본 개념을 제공합니다. 또한 이러한 현상의 적용을 설명합니다.
스마트 폰과 물리학
1990 년 이후에 태어난 사람은다양한 전자 장치가없는 삶은 상상할 수 없습니다. 스마트 폰은 전화를 대체 할뿐만 아니라 환율을 모니터링하고 거래를하고 택시를 부르고 애플리케이션을 통해 ISS에 탑승 한 우주 비행사와 연락 할 수도 있습니다. 따라서 이러한 모든 디지털 어시스턴트는 당연한 것으로 간주됩니다. 모든 종류의 장치의 축소 시대가 가능해진 덕분에 원자에 의한 빛의 방출과 흡수는 그러한 독자들에게 물리학 수업에서 지루한 주제로 보일 것입니다. 그러나이 물리학 섹션에는 흥미롭고 흥미로운 것들이 많이 있습니다.
스펙트럼 발견을위한 이론적 전제 조건
"호기심은 선으로 이어지지 않는다"는 속담이 있습니다.그러나이 표현은 오히려 다른 사람들의 관계를 방해하지 않는 것이 낫다는 사실을 나타냅니다. 주변 세상에 대한 호기심을 보이면 나쁜 일은 없을 것입니다. 19 세기 말에 사람들은 자기의 본질을 이해하기 시작했습니다 (Maxwell의 방정식 시스템에서 잘 설명 됨). 과학자들이 풀고 자 한 다음 질문은 물질의 구조였습니다. 한 번에 명확히 할 필요가 있습니다. 원자에 의한 빛의 방출과 흡수 자체는 과학에 가치가 없습니다. 라인 스펙트럼은이 현상의 결과이며 물질의 구조를 연구하는 기초가됩니다.
원자 구조
고대 그리스의 과학자들은대리석은 몇 가지 불가분의 조각 인 "원자"로 구성되어 있습니다. 그리고 19 세기 말까지 사람들은 이것이 물질의 가장 작은 입자라고 생각했습니다. 그러나 Rutherford의 금박 위에 무거운 입자를 산란시키는 실험은 원자도 내부 구조를 가지고 있음을 보여주었습니다. 무거운 핵은 중심에 있고 양전하를 띠고 가벼운 음의 전자가 그 주위를 돌고 있습니다.
Maxwell 이론의 틀에있는 원자 역설
이 데이터는 몇 가지 역설을 불러 일으켰습니다.Maxwell의 방정식에 따르면 움직이는 하전 입자는 전자기장을 방출하므로 에너지가 손실됩니다. 그렇다면 전자가 핵에 떨어지지 않고 계속 회전하는 이유는 무엇입니까? 또한 각 원자가 특정 파장의 광자를 흡수하거나 방출하는 이유도 명확하지 않았습니다. 보어의 이론은 궤도를 도입하여 이러한 불일치를 제거하는 것을 가능하게했습니다. 이 이론의 가정에 따르면 전자는 이러한 궤도에서만 핵 주위에있을 수 있습니다. 인접한 두 상태 사이의 전이는 특정 에너지를 가진 양자의 방출 또는 흡수를 동반합니다. 이 때문에 원자에 의한 빛의 방출과 흡수가 정확하게 발생합니다.
파장, 주파수, 에너지
보다 완전한 그림을 보려면광자에 대해 조금. 이들은 나머지 질량이없는 기본 입자입니다. 그들은 환경을 통해 이동하는 한만 존재합니다. 그러나 그들은 여전히 질량을 가지고 있습니다. 표면에 부딪히면 질량 없이는 불가능한 충격을 전달합니다. 그들은 단지 질량을 에너지로 변환하여 그들이 부딪 히고 흡수되는 물질을 조금 더 따뜻하게 만듭니다. 보어의 이론은이 사실을 설명하지 않습니다. 광자의 특성과 그 행동의 특성은 양자 물리학에 의해 설명됩니다. 따라서 광자는 파동이자 질량을 가진 입자입니다. 광자는 파동으로서 길이 (λ), 주파수 (ν), 에너지 (E)와 같은 특성을 가지고 있습니다. 파장이 길수록 주파수가 낮아지고 에너지가 낮아집니다.
원자 스펙트럼
원자 스펙트럼은 여러 단계로 형성됩니다.
- 원자의 전자는 궤도 2 (높은 에너지)에서 궤도 1 (낮은 에너지)로 이동합니다.
- 일정량의 에너지가 방출되어 빛의 양자 (hν)로 형성됩니다.
- 이 양자는 주변 공간으로 방사됩니다.
따라서 라인 스펙트럼이 얻어집니다.원자. 왜 그렇게 부르는지 그 형태를 설명합니다. 특수 장치가 나가는 빛의 광자를 "잡을 때"등록 장치에 여러 줄이 기록됩니다. 다른 파장의 광자를 분리하기 위해 회절 현상이 사용됩니다. 주파수가 다른 파동은 굴절률이 다르므로 일부는 다른 것보다 더 많이 굴절됩니다.
물질 및 스펙트럼의 특성
물질의 라인 스펙트럼은 모든 사람에게 고유합니다.원자의 종류. 즉, 수소가 방출되면 한 세트의 선과 금-다른 세트를 제공합니다. 이 사실이 분광법 적용의 기초입니다. 무엇이든 스펙트럼을 받으면 물질이 무엇으로 구성되어 있는지, 원자가 서로에 대해 어떻게 위치하는지 이해할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 화학 및 물리학에서 자주 사용되는 재료의 다양한 속성을 결정할 수 있습니다. 원자에 의한 빛의 흡수와 방출은 우리 주변 세계를 연구하는 가장 일반적인 도구 중 하나입니다.
방출 스펙트럼 방법의 단점
지금까지는원자가 방출합니다. 그러나 일반적으로 모든 전자는 평형 상태의 궤도에 있으며 다른 상태로 이동할 이유가 없습니다. 물질이 무언가를 방출하려면 먼저 에너지를 흡수해야합니다. 이것은 원자에 의한 빛의 흡수와 방출을 이용하는 방법의 단점입니다. 요컨대, 스펙트럼을 얻기 전에 먼저 물질을 가열하거나 조명해야합니다. 과학자가 별을 연구하면 질문이 발생하지 않으며 자체 내부 프로세스 덕분에 이미 빛을 발합니다. 그러나 광석이나 식품을 연구해야한다면 스펙트럼을 얻기 위해서는 실제로 태워야합니다. 이 방법이 항상 적합한 것은 아닙니다.
흡수 스펙트럼
방법으로서의 원자에 의한 빛의 방출 및 흡수두 방향으로 "작동"합니다. 물질 (즉, 다른 파장의 광자가 존재하는 물질)에 광대역 빛을 비추고 어떤 파장이 흡수되는지 확인할 수 있습니다. 그러나이 방법이 항상 적합한 것은 아닙니다. 전자기 스케일의 원하는 부분에 대해 물질이 투명해야합니다.
정성 및 정량 분석
분명해졌습니다.스펙트럼은 각 물질에 대해 고유합니다. 독자는 그러한 분석이 자료의 구성을 결정하는 데에만 사용된다는 결론을 내렸을 것입니다. 그러나 스펙트럼의 가능성은 훨씬 더 넓습니다. 결과 라인의 폭과 강도를 고려하고 인식하는 특별한 기술을 사용하여 화합물에 포함 된 원자 수를 설정할 수 있습니다. 또한이 표시기는 다른 단위로 표현할 수 있습니다.
- 백분율로 표시 (예 :이 합금에는 1 % 알루미늄이 포함됨)
- 몰 단위 (3 몰의 염화나트륨 이이 액체에 용해 됨);
- 그램 단위 (이 샘플에는 0.2g의 우라늄과 0.4g의 토륨이 포함되어 있습니다).
때로는 분석이 혼합됩니다.동시에 질적 및 양적. 그러나 초기 물리학 자들이 선의 위치를 기억하고 특수 테이블을 사용하여 음영을 추정했다면 이제이 모든 것이 프로그램에 의해 수행됩니다.
스펙트럼의 적용
우리는 이미 무엇인지 충분히 자세히 분류했습니다.원자에 의한 빛의 방출 및 흡수. 스펙트럼 분석이 널리 사용됩니다. 우리가 고려중인 현상이 사용되는 인간 활동의 단일 영역은 없습니다. 그중 일부는 다음과 같습니다.
- 기사의 시작 부분에서 우리는 스마트 폰에 대해 이야기했습니다. 실리콘 반도체 소자는 스펙트럼 분석을 사용한 결정 연구 덕분에 매우 작아졌습니다.
- 어떤 사건에서도 독창성각 원자의 전자 껍질을 통해 어떤 총알이 먼저 발사되었는지, 왜 자동차 프레임이 부러 지거나 타워 크레인이 떨어졌는지, 사람이 어떤 종류의 독에 중독되었는지, 그가 물에 얼마나 오래 머물 렀는지 확인할 수 있습니다.
- 의학은 체액과 관련하여 자체 목적으로 스펙트럼 분석을 가장 많이 사용하지만이 방법은 조직에도 적용됩니다.
- 먼 은하, 우주 가스 구름외계 별 근처의 행성-이 모든 것은 빛의 도움과 스펙트럼으로의 분해로 연구됩니다. 과학자들은 그들이 방출하거나 흡수하는 광자를 포착하고 분석 할 수 있다는 사실로 인해 이러한 물체의 구성, 물체의 속도 및 발생 과정을 배웁니다.
전자기 규모
우리는 가시 광선에 가장 많은 관심을 기울입니다.그러나 전자 기적 규모에서이 부분은 매우 작습니다. 인간의 눈으로 포착하지 못하는 것은 무지개의 일곱 가지 색보다 훨씬 더 넓습니다. 가시 광자 (λ = 380-780 나노 미터)뿐만 아니라 다른 양자도 방출 및 흡수 될 수 있습니다. 전자기 스케일에는 다음이 포함됩니다.
- 전파 (λ = 100km) 장거리 정보를 전송합니다. 파장이 매우 길기 때문에 에너지가 매우 낮습니다. 그들은 매우 쉽게 흡수됩니다.
- 테라 헤르츠 파도 (λ = 1-0.1mm)는 최근까지 구하기 어려웠습니다. 이전에는 범위가 전파에 포함되었지만 이제는 전자기 규모의이 부분이 별도의 클래스에 할당됩니다.
- 적외선 파 (λ = 0.74-2000 마이크로 미터)는 열을 전달합니다. 모닥불, 램프, 태양이 그들을 풍부하게 방출합니다.
우리는 가시 광선을 고려 했으므로 더 자세히 쓰지 않을 것입니다.
자외선 (λ = 10-400 나노 미터)는 인간에게 치명적입니다.초과하지만 그들의 부족은 또한 돌이킬 수없는 과정을 유발합니다. 우리의 중심 별은 많은 자외선 복사를 제공하며 지구 대기는 대부분을 유지합니다.
X 선 및 감마 양자 (λ <10 나노 미터)는 공통 범위를 공유하지만기원이 다릅니다. 그것들을 얻으려면 전자 나 원자를 매우 빠른 속도로 가속시켜야합니다. 인간 실험실은 이것을 할 수 있지만, 본질적으로 그러한 에너지는 별 내부 또는 거대한 물체의 충돌에서만 발견됩니다. 후자의 과정의 예는 초신성 폭발, 블랙홀에 의한 별의 흡수, 두 은하 또는 은하의 충돌 및 거대한 가스 구름입니다.
모든 범위의 전자기파, 즉원자에 의해 방출되고 흡수되는 능력은 인간 활동에 적용됩니다. 독자가 자신의 인생 경로로 무엇을 선택했는지 (또는 곧 선택하려고하는지)에 관계없이 그는 스펙트럼 연구의 결과를 확실히 접하게 될 것입니다. 판매자는 과학자가 물질의 특성을 연구하고 마이크로 칩을 만들었 기 때문에 최신 결제 단말기를 사용합니다. 농부는 밭을 비옥하게하고 지질학자가 한때 광석 덩어리에서 인을 발견했기 때문에 지금은 많은 수확물을 모으고 있습니다. 소녀는 지속적인 화학 염료의 발명 덕분에 밝은 옷을 입습니다.
그러나 독자가 자신의 삶을 과학 세계와 연결하고 싶다면 원자에서 빛의 양자를 방출하고 흡수하는 과정의 기본 개념보다 훨씬 더 많은 것을 연구해야 할 것입니다.
