Овај чланак пружа основне концепте потребне да се разуме како се светлост емитује и апсорбује од стране атома. Такође описује примену ових појава.
Паметни телефон и физика
Особа која је рођена после 1990. годинеживот без разних електронских уређаја не могу замислити. Паметни телефон не само да замењује телефон, већ и омогућава праћење курсева, обављање трансакција, позивање таксија, па чак и дописивање са астронаутима на ИСС-у преко њихових апликација. Сходно томе, сви ови дигитални асистенти се узимају здраво за готово. Емисија и апсорпција светлости атомима, захваљујући којима је ера смањења свих врста уређаја постала могућа, таквим читаоцима ће се чинити само досадном темом у часовима физике. Али у овом делу физике има много занимљивих и фасцинантних ствари.
Теоријска основа за откривање спектра
Постоји изрека: „Радозналост неће довести до добра“.Али овај израз се пре односи на чињеницу да је боље не мешати се у односе других људи. Ако покажете радозналост према свету око себе, ништа лоше се неће догодити. Крајем деветнаестог века људима је постала јасна природа магнетизма (добро је описана у систему Максвелових једначина). Следеће питање које су научници желели да реше била је структура материје. Морамо одмах да разјаснимо: за науку није драгоцена сама емисија и апсорпција светлости од стране атома. Линијски спектри су последица ове појаве и основа за проучавање структуре супстанци.
Struktura atoma
То су предложили научници у старој Грчкојмермер се састоји од неких недељивих делова, „атома“. И све до краја деветнаестог века људи су мислили да су то најситније честице материје. Али Ратерфордово искуство у расејању тешких честица на златној фолији показало је да атом такође има унутрашњу структуру. Тешко језгро је у центру и позитивно је наелектрисано, око њега се врте лаки негативни електрони.
Парадокси атома у оквиру Максвелове теорије
Ови подаци су изазвали неколико парадокса:према Максвеловим једначинама, свака покретна наелектрисана честица емитује електромагнетно поље, дакле, губи енергију. Зашто онда електрони не падају на језгро, већ настављају да ротирају? Такође је било нејасно зашто сваки атом само апсорбује или емитује фотоне одређене таласне дужине. Борова теорија је омогућила да се ове недоследности отклоне увођењем орбитала. Према постулатима ове теорије, електрони могу бити око језгра само на овим орбиталама. Прелаз између два суседна стања је праћен или емисијом или апсорпцијом кванта са одређеном енергијом. Емисија и апсорпција светлости од стране атома настаје управо због тога.
Таласна дужина, фреквенција, енергија
За потпунију слику потребно је рећимало о фотонима. То су елементарне честице које немају масу мировања. Они постоје само док се крећу кроз медиј. Али они и даље имају масу: када ударе на површину, преносе јој замах, што би било немогуће без масе. Само што своју масу претварају у енергију, чинећи супстанцу у коју ударе и којом се апсорбују мало топлијом. Борова теорија не објашњава ову чињеницу. Својства фотона и карактеристике његовог понашања описује квантна физика. Дакле, фотон је и талас и честица са масом. Фотон, као и талас, има следеће карактеристике: дужину (λ), фреквенцију (ν), енергију (Е). Што је таласна дужина дужа, фреквенција је нижа, а енергија нижа.
Спектар атома
Атомски спектар се формира у неколико фаза.
- Електрон у атому се креће са орбитале 2 (више енергије) на орбиту 1 (нижа енергија).
- Ослобађа се одређена количина енергије која се формира као квант светлости (хν).
- Овај квант се зрачи у околни простор.
Тако се добија линијски спектар.атом. Зашто се тако зове објашњава његов облик: када специјални уређаји „хватају” одлазеће фотоне светлости, на уређају за снимање се снима одређени број линија. За раздвајање фотона различитих таласних дужина користи се феномен дифракције: таласи различитих фреквенција имају различите индексе преламања, па се неки одбијају више од других.
Особине супстанци и спектри
Линијски спектар супстанце је јединствен за свакуврста атома. То јест, водоник, када се емитује, даће један сет линија, а злато - други. Ова чињеница је основа за примену спектрометрије. Пошто сте примили спектар било чега, можете разумети од чега се састоји супстанца, како су атоми распоређени у њој релативно једни према другима. Овај метод вам такође омогућава да одредите различите особине материјала, што се често користи у хемији и физици. Апсорпција и емисија светлости од стране атома један је од најчешћих алата за проучавање света око нас.
Недостаци методе емисионих спектра
До ове тачке више се говорило о томе какоатоми зраче. Али обично су сви електрони у својим орбитама у стању равнотеже, немају разлога да иду у друга стања. Да би супстанца нешто емитовала, прво мора да апсорбује енергију. Ово је недостатак методе која користи апсорпцију и емисију светлости од стране атома. Рецимо укратко да се супстанца мора прво загрејати или осветлити пре него што добијемо спектар. Неће се постављати питања ако научник проучава звезде, оне већ сијају због сопствених унутрашњих процеса. Али ако желите да проучавате комад руде или прехрамбени производ, онда да бисте добили спектар, он заправо треба да се спали. Овај метод није увек прикладан.
Спектри апсорпције
Емисија и апсорпција светлости атомима као метода„ради“ у два правца. Можете да усмерите широкопојасну светлост на супстанцу (то јест, ону у којој су присутни фотони различитих таласних дужина), а затим видите које таласне дужине се апсорбују. Али овај метод није увек прикладан: неопходно је да супстанца буде провидна за жељени део електромагнетне скале.
Квалитативна и квантитативна анализа
постало је јасно:спектри су јединствени за сваку супстанцу. Читалац би могао закључити да се оваква анализа користи само да би се утврдило од чега је материјал направљен. Међутим, могућности спектра су много шире. Уз помоћ посебних техника за испитивање и препознавање ширине и интензитета насталих линија могуће је установити број атома у једињењу. Штавише, овај индикатор се може изразити у различитим јединицама:
- у процентима (на пример, ова легура садржи 1% алуминијума);
- у моловима (3 мола кухињске соли се раствори у овој течности);
- у грамима (овај узорак садржи 0,2 г уранијума и 0,4 г торијума).
Понекад је анализа помешана:квалитативно и квантитативно у исто време. Али ако су ранији физичари запамтили положај линија и проценили њихову нијансу помоћу посебних табела, сада све то раде програми.
Примена спектра
Већ смо довољно детаљно покрили штаемисија и апсорпција светлости атомима. Спектрална анализа се користи веома широко. Не постоји ниједна област људске активности, где год се користи феномен који разматрамо. Ево неких од њих:
- На самом почетку чланка говорили смо о паметним телефонима. Силицијумски полупроводнички елементи постали су тако мали, укључујући и због проучавања кристала помоћу спектралне анализе.
- У сваком инциденту, то је јединственостЕлектронска шкољка сваког атома вам омогућава да одредите који је метак први испаљен, зашто се рам аутомобила сломио или је торањски кран пао, као и којим отровом је особа отрована и колико је дуго остала у води. .
- Медицина за своје потребе користи спектралну анализу најчешће у односу на телесне течности, али се дешава да се ова метода примењује и на ткива.
- Далеке галаксије, облаци космичког гаса,планете у близини ванземаљских звезда – све се то проучава уз помоћ светлости и њеног разлагања на спектре. Научници уче састав ових објеката, њихову брзину и процесе који се у њима одвијају захваљујући чињеници да могу да ухвате и анализирају фотоне које емитују или апсорбују.
Електромагнетна вага
Највише од свега обраћамо пажњу на видљиву светлост.Али на електромагнетној скали, овај сегмент је веома мали. Оно што људско око не види много је шире од седам дугиних боја. Не само видљиви фотони (λ=380-780 нанометара), већ и други кванти могу да се емитују и апсорбују. Електромагнетна вага укључује:
- Радио таласи (λ = 100 километара) преносе информације на велике удаљености. Због њихове веома велике таласне дужине, њихова енергија је веома ниска. Веома се лако апсорбују.
- Терахерц таласи (λ = 1-0,1 милиметар) донедавно су били тешко доступни. Раније је њихов опсег био укључен у радио таласе, али сада је овај сегмент електромагнетне скале распоређен у посебну класу.
- Инфрацрвени таласи (λ = 0,74-2000 микрометара) преносе топлоту. Ватра, лампа, Сунце их зраче у изобиљу.
Разматрали смо видљиву светлост, па о томе нећемо писати детаљније.
ултраљубичасти таласи (λ = 10-400 нанометара) су фаталне за људе увишак, али њихов недостатак изазива неповратне процесе. Наша централна звезда даје много ултраљубичастог светла, а Земљина атмосфера задржава већину.
Рендген и гама кванти (λ < 10 нанометара) имају заједнички опсег, алиразликују по пореклу. Да бисте их добили, потребно је да распршите електроне или атоме на веома велике брзине. Људске лабораторије су способне за то, али у природи се такве енергије налазе само унутар звезда или у сударима масивних објеката. Примери последњег процеса су експлозије супернове, апсорпција звезде црном рупом, сусрет две галаксије или галаксије и масивни облак гаса.
Електромагнетни таласи свих опсега, тјњихова способност да их атоми емитују и апсорбују се користе у људским активностима. Без обзира на то шта је читалац изабрао (или ће изабрати) за свој животни пут, он ће свакако наићи на резултате спектралних студија. Продавац користи модеран терминал за плаћање само зато што је научник једном проучавао својства супстанци и направио микрочип. Аграр ђубри њиве и сада жање велике усеве само зато што је једном геолог открио фосфор у комаду руде. Девојка носи светлу одећу само захваљујући проналаску упорних хемијских боја.
Али ако читалац жели да повеже свој живот са светом науке, онда ће морати да проучава много више од основних појмова процеса емисије и апсорпције светлосних кванта у атомима.
