Tento článok poskytuje základné pojmy potrebné na pochopenie toho, ako atómy vyžarujú a absorbujú svetlo. Opisuje aj aplikáciu týchto javov.
Smartfón a fyzika
Človek, ktorý sa narodil po roku 1990, jehoživot bez rôznych elektronických zariadení si nevieme predstaviť. Smartfón nielenže nahrádza telefón, ale umožňuje aj sledovanie výmenných kurzov, transakcie, volanie taxíka a dokonca korešpondenciu s astronautmi na palube ISS prostredníctvom ich aplikácií. Preto sa všetci títo digitálni asistenti považujú za samozrejmosť. Vyžarovanie a pohlcovanie svetla atómami, vďaka ktorým bola možná éra redukcie všemožných zariadení, sa bude takýmto čitateľom zdať len nudnou témou na hodinách fyziky. Ale v tejto časti fyziky je veľa zaujímavých a vzrušujúcich vecí.
Teoretické predpoklady na objavenie spektier
Hovorí sa: "Zvedavosť nevedie k dobru."Ale tento výraz skôr odkazuje na to, že je lepšie nezasahovať do vzťahov iných ľudí. Ak prejavíte zvedavosť na svet okolo vás, nič zlé sa nestane. Koncom devätnásteho storočia ľudia začali chápať podstatu magnetizmu (dobre je opísaný v systéme Maxwellových rovníc). Ďalšou otázkou, ktorú chceli vedci vyriešiť, bola štruktúra hmoty. Okamžite je potrebné objasniť: samotná emisia a absorpcia svetla atómami nie je pre vedu cenná. Čiarové spektrá sú dôsledkom tohto javu a základom pre štúdium štruktúry látok.
Štruktúra atómu
Tvrdili to vedci v starovekom Gréckumramor sa skladá z niekoľkých nedeliteľných častí, "atómov". A až do konca devätnásteho storočia si ľudia mysleli, že ide o najmenšie častice hmoty. Ale Rutherfordov experiment s rozptylom ťažkých častíc na zlatej fólii ukázal, že atóm má tiež vnútornú štruktúru. Ťažké jadro je v strede a je kladne nabité, ľahké záporné elektróny sa točia okolo neho.
Atómové paradoxy v rámci Maxwellovej teórie
Tieto údaje viedli k niekoľkým paradoxom:podľa Maxwellových rovníc každá pohybujúca sa nabitá častica vyžaruje elektromagnetické pole, a preto stráca energiu. Prečo teda elektróny nepadajú na jadro, ale pokračujú v rotácii? Nebolo tiež jasné, prečo každý atóm absorbuje alebo vyžaruje fotóny len určitej vlnovej dĺžky. Bohrova teória umožnila odstrániť tieto nezrovnalosti zavedením orbitálov. Podľa postulátov tejto teórie môžu byť elektróny v okolí jadra iba v týchto orbitáloch. Prechod medzi dvoma susednými štátmi je sprevádzaný buď emisiou alebo absorpciou kvanta s určitou energiou. K emisii a absorpcii svetla atómami dochádza práve preto.
Vlnová dĺžka, frekvencia, energia
Pre úplnejší obraz musíte povedaťtrochu o fotónoch. Sú to elementárne častice, ktoré nemajú pokojovú hmotnosť. Existujú len dovtedy, kým sa pohybujú prostredím. Ale stále majú hmotnosť: dopadnú na povrch, prenesú naň impulz, čo by bez hmoty nebolo možné. Jednoducho premenia svoju hmotu na energiu, čím sa látka, na ktorú narazia a absorbuje, bude mierne zahrievať. Bohrova teória túto skutočnosť nevysvetľuje. Vlastnosti fotónu a zvláštnosti jeho správania popisuje kvantová fyzika. Fotón je teda vlna aj častica s hmotnosťou. Fotón a ako vlna má nasledujúce charakteristiky: dĺžka (λ), frekvencia (ν), energia (E). Čím dlhšia je vlnová dĺžka, tým nižšia je frekvencia a tým nižšia je energia.
Atómové spektrum
Atómové spektrum sa tvorí v niekoľkých stupňoch.
- Elektrón v atóme sa pohybuje z orbitálu 2 (s vyššou energiou) do orbitálu 1 (s nižšou energiou).
- Uvoľní sa určité množstvo energie, ktorá sa vytvorí ako kvantum svetla (hν).
- Toto kvantum je emitované do okolitého priestoru.
Takto sa získa čiarové spektrumatóm. Prečo sa to tak volá, vysvetľuje jeho forma: keď špeciálne zariadenia „zachytia“ odchádzajúce fotóny svetla, na registračnom zariadení sa zaznamená množstvo čiar. Na oddelenie fotónov rôznych vlnových dĺžok sa používa fenomén difrakcie: vlny s rôznymi frekvenciami majú rôzne indexy lomu, preto sú niektoré vychýlené viac ako iné.
Vlastnosti látok a spektrá
Čiarové spektrum látky je pre každého jedinečnédruh atómov. To znamená, že vodík, keď je emitovaný, poskytne jednu sadu čiar a zlato ďalšiu. Táto skutočnosť je základom pre aplikáciu spektrometrie. Po prijatí spektra čohokoľvek môžete pochopiť, z čoho látka pozostáva, ako sú atómy v nej umiestnené vo vzťahu k sebe navzájom. Táto metóda tiež umožňuje určiť rôzne vlastnosti materiálov, čo často využíva chémia a fyzika. Absorpcia a emisia svetla atómami je jedným z najbežnejších nástrojov na štúdium sveta okolo nás.
Nevýhody metódy emisných spektier
Doteraz to bolo skôr o tom, akoatómy emitujú. Ale zvyčajne sú všetky elektróny na svojich orbitaloch v rovnovážnom stave, nemajú dôvod sa presúvať do iných stavov. Aby látka niečo emitovala, musí najprv absorbovať energiu. Toto je nevýhoda metódy, ktorá využíva absorpciu a emisiu svetla atómom. Stručne povedané, látka sa musí najskôr zahriať alebo osvetliť, kým získame spektrum. Otázky nevzniknú, ak vedec študuje hviezdy, tie už žiaria vďaka svojim vlastným vnútorným procesom. Ale ak je potrebné študovať kúsok rudy alebo potravinový výrobok, potom, aby sa získalo spektrum, musí sa skutočne spáliť. Táto metóda nie je vždy vhodná.
Absorpčné spektrá
Emisia a absorpcia svetla atómami ako metóda"Pôsobí" v dvoch smeroch. Môžete zasvietiť širokopásmovým svetlom na látku (teda na takú, v ktorej sú prítomné fotóny rôznych vlnových dĺžok) a potom uvidíte, aké vlnové dĺžky sú absorbované. Táto metóda však nie je vždy vhodná: je nevyhnutné, aby látka bola transparentná pre požadovanú časť elektromagnetickej stupnice.
Kvalitatívna a kvantitatívna analýza
Bolo jasné:spektrá sú jedinečné pre každú látku. Čitateľ mohol usúdiť, že takáto analýza sa používa iba na určenie, z čoho je materiál vyrobený. Možnosti spektier sú však oveľa širšie. Pomocou špeciálnych techník na zvažovanie a rozpoznávanie šírky a intenzity výsledných čiar je možné určiť počet atómov zahrnutých v zlúčenine. Okrem toho môže byť tento ukazovateľ vyjadrený v rôznych jednotkách:
- v percentách (napríklad táto zliatina obsahuje 1 % hliníka);
- v móloch (v tejto kvapaline sú rozpustené 3 móly chloridu sodného);
- v gramoch (táto vzorka obsahuje 0,2 g uránu a 0,4 gramu tória).
Niekedy je analýza zmiešaná:kvalitatívne a kvantitatívne zároveň. Ale ak si skorší fyzici zapamätali polohu čiar a odhadli ich odtieň pomocou špeciálnych tabuliek, teraz to všetko robia programy.
Aplikácia spektier
Čo sme už dostatočne podrobne roztriediliemisia a absorpcia svetla atómami. Spektrálna analýza je široko používaná. Neexistuje jediná oblasť ľudskej činnosti, kdekoľvek sa jav, o ktorom uvažujeme, používa. Tu sú niektoré z nich:
- Hneď na začiatku článku sme hovorili o smartfónoch. Kremíkové polovodičové prvky sa stali takými malými, čiastočne vďaka štúdiu kryštálov pomocou spektrálnej analýzy.
- V každom prípade ide o jedinečnosťelektrónový obal každého atómu umožňuje určiť, ktorá guľka bola vystrelená ako prvá, prečo sa zlomil rám auta alebo spadol vežový žeriav, ako aj akým jedom sa človek otrávil a ako dlho zostal vo vode.
- Medicína využíva spektrálnu analýzu pre svoje účely najčastejšie vo vzťahu k telesným tekutinám, no stáva sa, že táto metóda sa aplikuje aj na tkanivá.
- Vzdialené galaxie, oblaky kozmického plynuplanéty pri cudzích hviezdach – to všetko sa študuje pomocou svetla a jeho rozkladu na spektrá. Vedci sa učia zloženie týchto objektov, ich rýchlosť a procesy, ktoré v nich prebiehajú, vďaka tomu, že dokážu zachytiť a analyzovať fotóny, ktoré emitujú alebo absorbujú.
Elektromagnetická stupnica
Najväčšiu pozornosť venujeme viditeľnému svetlu.Ale v elektromagnetickom meradle je tento segment veľmi malý. To, čo ľudské oko nezachytí, je oveľa širšie ako sedem farieb dúhy. Môžu byť emitované a absorbované nielen viditeľné fotóny (λ = 380-780 nanometrov), ale aj ďalšie kvantá. Elektromagnetická stupnica obsahuje:
- Rádiové vlny (λ = 100 kilometrov) prenášajú informácie na veľké vzdialenosti. Vzhľadom na ich veľmi dlhú vlnovú dĺžku je ich energia veľmi nízka. Veľmi ľahko sa vstrebávajú.
- Terahertzové vlny (λ = 1-0,1 milimetra) bolo donedávna ťažké získať. Predtým bol ich rozsah zahrnutý do rádiových vĺn, ale teraz je tento segment elektromagnetickej stupnice zaradený do samostatnej triedy.
- Infračervené vlny (λ = 0,74-2000 mikrometrov) prenášajú teplo. Oheň, lampa, Slnko ich vyžaruje v hojnosti.
Uvažovali sme o viditeľnom svetle, preto o ňom nebudeme podrobnejšie písať.
Ultrafialové vlny (λ = 10-400 nanometrov) sú pre človeka smrteľnénadbytok, ale ich nedostatok spôsobuje aj nezvratné procesy. Naša centrálna hviezda poskytuje veľa ultrafialového žiarenia a zemská atmosféra si ho zachováva.
Röntgenové a gama kvantá (λ <10 nanometrov) majú spoločný rozsah, alesa líšia pôvodom. Aby ste ich získali, musíte urýchliť elektróny alebo atómy na veľmi vysoké rýchlosti. Ľudské laboratóriá sú toho schopné, ale v prírode sa takéto energie nachádzajú len vo vnútri hviezd alebo pri zrážkach masívnych objektov. Príkladom posledného procesu sú výbuchy supernov, absorpcia hviezdy čiernou dierou, kolízia dvoch galaxií alebo galaxie a masívneho oblaku plynu.
Elektromagnetické vlny všetkých rozsahov, menoviteich schopnosť byť emitovaná a absorbovaná atómami sa uplatňuje v ľudskej činnosti. Bez ohľadu na to, čo si čitateľ zvolil (alebo sa ešte len chystá vybrať) za svoju životnú cestu, s výsledkami spektrálnych štúdií určite narazí. Predajca používa moderný platobný terminál len preto, že jeden vedec kedysi študoval vlastnosti látok a vytvoril mikročip. Farmár zúrodňuje polia a teraz zbiera veľkú úrodu len preto, že geológ kedysi objavil v hrudke rudy fosfor. Dievča nosí svetlé oblečenie len vďaka vynálezu perzistentných chemických farbív.
No ak chce čitateľ prepojiť svoj život so svetom vedy, bude si musieť naštudovať oveľa viac, než len základné pojmy procesu emisie a absorpcie svetelných kvánt v atómoch.
