Šiame straipsnyje pateikiamos pagrindinės sąvokos, reikalingos suprasti, kaip atomai skleidžia ir sugeria šviesą. Taip pat aprašomas šių reiškinių taikymas.
Išmanusis telefonas ir fizika
Asmuo, gimęs po 1990 m., Jogyvenimo be įvairių elektroninių prietaisų neįsivaizduoji. Išmanusis telefonas ne tik pakeičia telefoną, bet ir leidžia stebėti valiutų kursus, atlikti operacijas, kviesti taksi ir netgi susirašinėti su TKS laive esančiais astronautais per jų programas. Atitinkamai visi šie skaitmeniniai padėjėjai yra savaime suprantami dalykai. Atomų šviesos spinduliavimas ir absorbcija, kurių dėka tapo įmanoma visų rūšių prietaisų mažinimo era, tokiems skaitytojams fizikos pamokose atrodys tik nuobodi tema. Tačiau šiame fizikos skyriuje yra daug įdomių ir įdomių dalykų.
Teorinės prielaidos spektrams atrasti
Yra toks posakis: „Smalsumas nesukels gero“.Tačiau ši išraiška labiau reiškia tai, kad geriau nesikišti į kitų žmonių santykius. Jei parodysite smalsumą aplinkiniam pasauliui, nieko blogo nenutiks. XIX amžiaus pabaigoje žmonės pradėjo suprasti magnetizmo prigimtį (tai gerai aprašyta Maxwello lygčių sistemoje). Kitas klausimas, kurį mokslininkai norėjo išspręsti, buvo materijos struktūra. Būtina iš karto patikslinti: pats šviesos spinduliavimas ir absorbavimas atomais nėra vertingas mokslui. Linijiniai spektrai yra šio reiškinio pasekmė ir pagrindas tirti medžiagų struktūrą.
Atomo struktūra
Senovės Graikijos mokslininkai tai pasiūlėmarmuras susideda iš kai kurių nedalomų gabalų, „atomų“. Ir iki XIX amžiaus pabaigos žmonės manė, kad tai yra mažiausios materijos dalelės. Bet Rutherfordo eksperimentas, išbarstęs sunkias daleles ant aukso folijos, parodė, kad atomas taip pat turi vidinę struktūrą. Sunkusis branduolys yra centre ir yra teigiamai įkrautas, aplink jį sukasi neigiami šviesos elektronai.
Atominiai paradoksai Maxwello teorijos rėmuose
Šie duomenys sukėlė keletą paradoksų:pagal Maxwello lygtis, bet kuri judanti įkrauta dalelė skleidžia elektromagnetinį lauką, todėl praranda energiją. Kodėl tuomet elektronai nepatenka į branduolį, o toliau sukasi? Taip pat nebuvo aišku, kodėl kiekvienas atomas sugeria ar išskiria tik tam tikro bangos ilgio fotonus. Bohro teorija leido pašalinti šiuos nenuoseklumus įvedant orbitales. Pagal šios teorijos postulatus, elektronai aplink branduolį gali būti tik šiose orbitose. Perėjimą tarp dviejų kaimyninių būsenų lydi arba kvanto emisija, arba absorbcija su tam tikra energija. Atomų šviesos emisija ir absorbcija vyksta būtent dėl to.
Bangos ilgis, dažnis, energija
Norėdami gauti išsamesnį vaizdą, turite pasakytišiek tiek apie fotonus. Tai yra elementariosios dalelės, kurios neturi ramybės masės. Jie egzistuoja tik tol, kol juda per aplinką. Bet jie vis tiek turi masę: atsitrenkdami į paviršių, jie perduoda impulsą, kuris būtų neįmanomas be masės. Jie tiesiog paverčia savo masę energija, todėl patekusi ir absorbuojama medžiaga tampa šiek tiek šiltesnė. Bohro teorija nepaaiškina šio fakto. Fotono savybes ir jo elgesio ypatumus apibūdina kvantinė fizika. Taigi, fotonas yra ir banga, ir masės dalelė. Fotonai ir kaip banga turi šias charakteristikas: ilgis (λ), dažnis (ν), energija (E). Kuo ilgesnis bangos ilgis, tuo žemesnis dažnis ir mažesnė energija.
Atomo spektras
Atominis spektras susidaro keliais etapais.
- Elektronas atome juda iš 2 orbitos (su didesne energija) į 1 orbitą (su mažesne energija).
- Išleidžiamas tam tikras energijos kiekis, kuris susidaro kaip šviesos kvantas (hν).
- Šis kvantas išsiskiria į supančią erdvę.
Taigi gaunamas linijos spektrasatomas. Kodėl jis taip vadinamas, paaiškina jo formą: kai specialūs prietaisai „pagauna“ išeinančius šviesos fotonus, registruojančiame įrenginyje užfiksuojama nemažai eilučių. Skirtingo bangos ilgio fotonams atskirti naudojamas difrakcijos reiškinys: skirtingų dažnių bangų lūžio rodiklis yra skirtingas, todėl kai kurie nukreipiami labiau nei kiti.
Medžiagų ir spektrų savybės
Medžiagos linijos spektras yra unikalus kiekvienamrūšies atomai. Tai yra, vandenilis, išleistas, duos vieną linijų rinkinį, o auksas - kitą. Šis faktas yra spektrometrijos taikymo pagrindas. Gavę bet ko spektrą, galite suprasti, iš ko susideda medžiaga, kaip joje vienas kito atžvilgiu yra atomai. Šis metodas taip pat leidžia nustatyti įvairias medžiagų savybes, kurias dažnai naudoja chemija ir fizika. Atomų šviesos absorbcija ir emisija yra viena iš labiausiai paplitusių priemonių tyrinėjant mus supantį pasaulį.
Emisijos spektro metodo trūkumai
Iki šio momento buvo kalbama apie tai, kaipatomai skleidžia. Tačiau paprastai visi elektronai yra savo orbitose pusiausvyros būsenoje, jie neturi pagrindo pereiti į kitas būsenas. Kad medžiaga kažką skleistų, ji pirmiausia turi absorbuoti energiją. Tai yra metodo, kuris naudoja atomo šviesos absorbciją ir emisiją, trūkumas. Trumpai tariant, prieš gaunant spektrą, medžiagą pirmiausia reikia pašildyti arba apšviesti. Klausimai nekils, jei mokslininkas tyrinės žvaigždes, jie jau spindi savo vidinių procesų dėka. Bet jei norite ištirti rūdos gabalą ar maisto produktą, tam, kad gautumėte spektrą, jį iš tikrųjų reikia sudeginti. Šis metodas ne visada yra tinkamas.
Absorbcijos spektrai
Šviesos emisija ir absorbcija atomais kaip metodas„Veikia“ dviem kryptimis. Galite apšviesti plačiajuosčio ryšio šviesą medžiagai (tai yra, kurioje yra skirtingo bangos ilgio fotonai), tada pamatyti, kurie bangos ilgiai yra absorbuojami. Bet šis metodas ne visada yra tinkamas: būtina, kad medžiaga būtų skaidri norimai elektromagnetinės skalės daliai.
Kokybinė ir kiekybinė analizė
Paaiškėjo:spektrai yra unikalūs kiekvienai medžiagai. Skaitytojas galėjo padaryti išvadą, kad tokia analizė naudojama tik norint nustatyti, iš ko yra medžiaga. Tačiau spektrų galimybės yra daug platesnės. Naudojant specialias gautų linijų pločio ir intensyvumo svarstymo ir atpažinimo metodikas, galima nustatyti į junginį įtrauktų atomų skaičių. Be to, šis rodiklis gali būti išreikštas skirtingais vienetais:
- procentais (pavyzdžiui, šiame lydinyje yra 1% aliuminio);
- moliuose (šiame skystyje ištirpę 3 moliai natrio chlorido);
- gramais (šiame mėginyje yra 0,2 g urano ir 0,4 g torio).
Kartais analizė yra mišri:kokybinis ir kiekybinis tuo pačiu metu. Bet jei anksčiau fizikai įsiminė linijų padėtį ir įvertino jų atspalvį naudodamiesi specialiomis lentelėmis, tai dabar visa tai daro programos.
Spektrų taikymas
Mes jau pakankamai išsamiai sutvarkėme, kasšviesos spinduliavimas ir absorbcija atomais. Spektrinė analizė yra plačiai naudojama. Nėra nė vienos žmogaus veiklos srities, kad ir kur būtų naudojamas mūsų nagrinėjamas reiškinys. Štai keletas iš jų:
- Pačioje straipsnio pradžioje kalbėjome apie išmaniuosius telefonus. Silicio puslaidininkiniai elementai tapo tokie maži, iš dalies dėl kristalų tyrimo naudojant spektrinę analizę.
- Bet kokiu atveju tai yra unikalumaskiekvieno atomo elektronų apvalkalas leidžia nustatyti, kuri kulka buvo paleista pirmiausia, kodėl lūžo automobilio rėmas ar krito bokštinis kranas, taip pat kokiais nuodais žmogus buvo apsinuodijęs ir kiek laiko jis buvo vandenyje.
- Medicina naudoja spektrinę analizę savo tikslams dažniausiai kūno skysčių atžvilgiu, tačiau atsitinka taip, kad šis metodas taikomas ir audiniams.
- Tolimos galaktikos, kosminių dujų debesysplanetos šalia svetimų žvaigždžių - visa tai tiriama šviesos ir jos skaidymo į spektrus pagalba. Mokslininkai sužino šių objektų sudėtį, greitį ir juose vykstančius procesus dėl to, kad jie gali užfiksuoti ir išanalizuoti jų išskiriamus ar sugertus fotonus.
Elektromagnetinė skalė
Daugiausiai dėmesio skiriame matomai šviesai.Tačiau elektromagnetiniu mastu šis segmentas yra labai mažas. Tai, ko neužfiksuoja žmogaus akis, yra daug platesnė nei septynios vaivorykštės spalvos. Galima išskirti ir absorbuoti ne tik matomus fotonus (λ = 380–780 nanometrų), bet ir kitus kvantus. Elektromagnetinė skalė apima:
- Radio bangos (λ = 100 kilometrų) perduoda informaciją dideliais atstumais. Dėl labai ilgo bangos ilgio jų energija yra labai maža. Jie labai lengvai absorbuojami.
- Terahercas banguoja (λ = 1–0,1 milimetro) iki šiol buvo sunku gauti. Anksčiau jų diapazonas buvo įtrauktas į radijo bangas, tačiau dabar šis elektromagnetinės skalės segmentas yra priskirtas atskirai klasei.
- Infraraudonųjų spindulių bangos (λ = 0,74–2000 mikrometrų) perduoda šilumą. Laužas, lempa, Saulė juos skleidžia gausiai.
Apsvarstėme matomą šviesą, todėl plačiau apie tai nerašysime.
Ultravioletinės bangos (λ = 10-400 nanometrų) yra mirtini žmonėmsperteklius, tačiau jų trūkumas taip pat sukelia negrįžtamus procesus. Mūsų centrinė žvaigždė skleidžia daug ultravioletinių spindulių, o Žemės atmosfera išlaiko didžiąją jos dalį.
Rentgeno ir gama kvantai (λ <10 nanometrų) turi bendrą diapazoną, tačiauskiriasi savo kilme. Norėdami juos gauti, turite pagreitinti elektronus ar atomus iki labai didelio greičio. Žmonių laboratorijos tai sugeba, tačiau gamtoje tokios energijos yra tik žvaigždžių viduje arba susidūrus su didžiuliais daiktais. Pastarojo proceso pavyzdys yra supernovos sprogimai, žvaigždės absorbcija juodojoje skylėje, dviejų galaktikų ar galaktikos ir didžiulio dujų debesies susidūrimas.
Visų diapazonų elektromagnetinės bangos, būtentjų gebėjimas išsiskirti ir absorbuotis atomų yra naudojamas žmogaus veikloje. Nepaisant to, ką skaitytojas pasirinko (ar ketina pasirinkti) kaip savo gyvenimo kelią, jis tikrai susidurs su spektrinių tyrimų rezultatais. Pardavėjas naudojasi šiuolaikiniu mokėjimo terminalu tik todėl, kad mokslininkas kadaise ištyrė medžiagų savybes ir sukūrė mikroschemą. Ūkininkas tręšia laukus ir dabar renka didelius derlius tik todėl, kad geologas kartą rūdos gumulėlyje atrado fosforą. Mergina dėvi ryškius drabužius tik dėl patvarių cheminių dažų išradimo.
Bet jei skaitytojas nori susieti savo gyvenimą su mokslo pasauliu, jis turės studijuoti kur kas daugiau nei pagrindines šviesos kvantų emisijos ir absorbcijos atomuose proceso koncepcijas.
