Механизм возникновения спектров поглощения и спектров испускания вещества. Происхождение спектра испускания

21.09.2019

В этой статье приводятся основные понятия, необходимые для понимания того, как происходит испускание и поглощение света атомами. Также здесь описывается применение этих явлений.

Смартфон и физика

Человек, который родился позже 1990 года, свою жизнь без разнообразных электронных устройств не может представить. Смартфон не только заменяет телефон, но и дает возможность следить за курсами валют, совершать сделки, вызывать такси и даже переписываться с космонавтами на борту МКС через свои приложения. Соответственно, и воспринимаются все эти цифровые помощники как нечто само собой разумеющееся. Испускание и поглощение света атомами, благодаря которым и стала возможна эра уменьшения всевозможных устройств, таким читателям покажется лишь скучной темой на уроках физики. Но в этом разделе физики много интересного и увлекательного.

Теоретические предпосылки для открытия спектров

Есть поговорка: «Любопытство до добра не доведет». Но это выражение скорее касается того факта, что в чужие взаимоотношения лучше не вмешиваться. Если же проявить любознательность к окружающему миру, ничего плохого не будет. В конце девятнадцатого века людям стала понятна (она хорошо описана в системе уравнений Максвелла). Следующим вопросом, который захотелось разрешить ученым, стало строение вещества. Надо сразу уточнить: для науки ценно не само испускание и поглощение света атомами. Линейчатые спектры - это следствие данного явления и основание для изучения строения веществ.

Строение атома

Ученые еще в Древней Греции предположили, что мрамор состоит из некоторых неделимых кусочков, «атомов». И до конца девятнадцатого века люди думали, что это самые маленькие частицы вещества. Но опыт Резерфорда по рассеиванию тяжелых частиц на золотой фольге показал: атом тоже имеет внутреннее строение. Тяжелое ядро находится в центре и заряжено положительно, легкие отрицательные электроны вращаются вокруг него.

Парадоксы атома в рамках теории Максвелла

Эти данные вызвали к жизни несколько парадоксов: согласно уравнениям Максвелла, любая движущаяся заряженная частица испускает электромагнитное поле, следовательно, теряет энергию. Почему же тогда электроны не падают на ядро, а продолжают вращаться? Также было непонятно, почему каждый атом поглощает или испускает фотоны только определенной длины волны. Теория Бора позволила устранить эти несоответствия путем ввода орбиталей. Согласно постулатам этой теории, электроны могут находиться вокруг ядра только на этих орбиталях. Переход между двумя соседними состояниями сопровождается либо испусканием, либо поглощением кванта с определенной энергией. Испускание и поглощение света атомами происходит именно благодаря этому.

Длина волны, частота, энергия

Для более полной картины необходимо рассказать немного о фотонах. Это элементарные частицы, у которых нет массы покоя. Они существуют, только пока движутся сквозь среду. Но массой все-таки обладают: ударяясь о поверхность, они передают ей импульс, что было бы невозможно без массы. Просто свою массу они превращают в энергию, делая вещество, о которое они ударяются и которым они поглощаются, немного теплее. Теория Бора не объясняет этот факт. Свойства фотона и особенности его поведения описывает квантовая физика. Итак, фотон - одновременно и волна, и частица с массой. Фотон, и как волна, обладает следующими характеристиками: длиной (λ), частотой (ν), энергией (Е). Чем больше длина волны, тем ниже частота, и тем ниже энергия.

Спектр атома

Атомный спектр формируется в несколько этапов.

Электрон в атоме переходит с орбитали 2 (с более высокой энергией) на орбиталь 1 (с менее низкой энергией).
Высвобождается некоторое количество энергии, которое формируется как квант света (hν).
излучается в окружающее пространство.

Таким образом и получается атома. Почему он называется именно так, объясняет его форма: когда специальные устройства «ловят» исходящие фотоны света, на регистрирующем приборе фиксируется ряд линий. Чтобы разделить фотоны разной длины волны, используется явление дифракции: волны с различной частотой имеют разный показатель преломления, следовательно, одни отклоняются сильнее, чем другие.

и спектры

Линейчатый спектр вещества уникален для каждого вида атомов. То есть водород при испускании даст один набор линий, а золото - другой. Этот факт и является основой для применения спектрометрии. Получив спектр чего угодно, можно понять, из чего состоит вещество, как в нем располагаются атомы относительно друг друга. Этот метод позволяет определить и различные свойства материалов, что часто использует химия и физика. Поглощение и испускание света атомами - один из самых распространенных инструментов для изучения окружающего мира.

Недостатки метода спектров испускания

До данного момента говорилось скорее о том, как атомы излучают. Но обычно все электроны находятся на своих орбиталях в состоянии равновесия, у них нет причин переходить в другие состояния. Чтобы вещество что-то излучило, оно сначала должно поглотить энергию. В этом недостаток метода, который эксплуатирует поглощение и испускание света атомом. Кратко скажем, что вещество сначала нужно нагреть или осветить, прежде чем мы получим спектр. Вопросов не возникнет, если ученый изучает звезды, они и так светятся благодаря собственным внутренним процессам. Но если требуется изучить кусочек руды или пищевой продукт, то для получения спектра его фактически надо сжечь. Этот способ подходит не всегда.

Спектры поглощения

Излучение и поглощение света атомами как метод «работает» в две стороны. Можно посветить на вещество широкополосным светом (то есть таким, в котором присутствуют фотоны разных длин волн), а потом посмотреть, волны каких длин поглотились. Но подходит этот способ не всегда: обязательно, чтобы вещество было прозрачным для нужной части электромагнитной шкалы.

Качественный и количественный анализ

Стало ясно: спектры уникальны для каждого вещества. Читатель мог заключить: такой анализ используется только для того, чтобы определить, из чего сделан материал. Однако возможности спектров гораздо шире. С помощью особых методик рассмотрения и распознавания ширины и интенсивности получившихся линий можно установить количество входящих в соединение атомов. Причем показатель этот можно выражать в разных единицах:

в процентах (например, в этом сплаве содержится 1% алюминия);
в молях (в этой жидкости растворено 3 моля поваренной соли);
в граммах (в данном образце присутствуют 0,2 г урана и 0,4 грамма тория).

Иногда анализ бывает смешанным: качественным и количественным одновременно. Но если раньше физики заучивали наизусть положение линий и оценивали их оттенок с помощью особых таблиц, то сейчас все это делают программы.

Применение спектров

Мы уже достаточно подробно разобрали, что такое испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ применяется очень широко. Нет ни одной области человеческой деятельности, где бы ни использовалось рассматриваемое нами явление. Вот некоторые из них:

В самом начале статьи мы говорили о смартфонах. Кремниевые полупроводниковые элементы стали такими маленькими, в том числе и благодаря исследованиям кристаллов с помощью спектрального анализа.
При любых происшествиях именно уникальность электронной оболочки каждого атома позволяет определить, какую пулю выпустили первой, почему сломался каркас машины или упал башенный кран, а также каким ядом отравился человек, и сколько времени он пробыл в воде.
Медицина используется спектральный анализ в своих целях чаще всего по отношению к жидкостям тела, но бывает, что этот метод применяется и к тканям.
Далекие галактики, облака космического газа, планеты у чужих звезд - все это изучают с помощью света и его разложения в спектры. Ученые узнают состав этих объектов, их скорость и процессы, которые в них происходят благодаря тому, что могут зафиксировать и проанализировать фотоны, которые они испускают или поглощают.

Электромагнитная шкала

Больше всего мы уделяем внимания видимому свету. Но на электромагнитной шкале этот отрезок очень маленький. То, что человеческий глаз не фиксирует, гораздо шире семи цветов радуги. Испускаться и поглощаться могут не только видимые фотоны (λ=380-780 нанометров), но и другие кванты. Электромагнитная шкала включает:

Радиоволны (λ = 100 километров) передают информацию на дальние расстояния. Из-за очень большой длины волны их энергия очень низкая. Они очень легко поглощаются.
Терагерцовые волны (λ = 1-0,1 миллиметров) до недавнего времени были труднодоступны. Раньше их диапазон включали в радиоволны, но сейчас этот отрезок электромагнитной шкалы выделяется в отдельный класс.
Инфракрасные волны (λ = 0,74-2000 микрометров) переносят тепло. Костер, лампа, Солнце излучают их в избытке.

Видимый свет мы рассмотрели, поэтому более подробно о нем писать не будем.

Ультрафиолетовые волны (λ = 10-400 нанометров) смертельны для человека в избытке, но и их недостаток вызывает Наша центральная звезда дает очень много ультрафиолета, а атмосфера Земли задерживает большую его часть.

Рентгеновские и гамма-кванты (λ < 10 нанометров) имеют общий диапазон, но различаются по происхождению. Чтобы получить их, нужно разогнать электроны или атомы до очень высоких скоростей. Лаборатории людей способны на это, но в природе такие энергии встречаются только внутри звезд или при столкновениях массивных объектов. Примером последнего процесса могут служить взрывы сверхновых, поглощение звезды черной дырой, встреча двух галактик или галактики и массивного облака газа.

Электромагнитные волны всех диапазонов, а именно их способность испускаться и поглощаться атомами, применяются в человеческой деятельности. Вне зависимости от того, что читатель избрал (или только собирается избрать) в качестве своей жизненной стези, он точно столкнется с результатами спектральных исследований. Продавец пользуется современным платежным терминалом только потому, что когда-то ученый исследовал свойства веществ и создал микрочип. Аграрий удобряет поля и собирает сейчас большие урожаи только потому, что когда-то геолог обнаружил фосфор в куске руды. Девушка носит яркие наряды только благодаря изобретению стойких химических красителей.

Но если читатель желает связать свою жизнь с миром науки, то придется изучить гораздо больше, чем основные понятия процесса излучения и поглощения квантов света в атомах.

В предыдущем параграфе была рассмотрена последовательность заполнения электронных оболочек атомов по мере роста заряда ядра. Электроны, входящие в состав внешних оболочек атома, определяют их химические свойства (чем объясняется периодичность свойств химических элементов). Эти же электроны ответственны за поглощение и испускание видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения (оптический спектр), которое возникает при изменении их квантовых состояний. Электроны внешних слоев иногда называют оптическими.

С увеличением числа электронов в атоме происходит закономерное усложнение спектров. В атоме гелия заряд ядра только вдвое больше заряда электрона и, стало быть, притяжение электрона ядром только в 2 раза превышает отталкивание между электронами. Естественно, что это оказывает большое влияние на характер движения электронов. В элементах с высокими атомными номерами заряд ядра во много раз превышает заряд электрона, но действие ядра на внешние электроны в значительной мере ослабляется внутренними электронами (экранирование). Именно это влияние внутренних электронов, а также взаимодействие внешних электронов между собой вызывает усложнение спектров атомов с большим числом электронов. Все же наблюдается большое сходство во многих отношениях между излучением водорода и более сложных атомов; в частности, в линейчатых спектрах элементов с высокими атомными номерами линии распределены, как и у водорода, по сериям, хотя и более сложного вида.

Атом водорода излучает спектр, когда его электрон переходит с какой-нибудь внешней орбиты на орбиты с меньшими значениями энергии, пока он не окажется на самой внутренней орбите, соответствующей нормальному состоянию. Так же происходит излучение и в других атомах, где, однако, электроны в нормальном состоянии, когда энергия атома минимальна, движутся вокруг ядра по орбитам, расположенным на различных расстояниях от ядра (соответственно строению электронных оболочек, поясненному в предыдущем параграфе).

Каково бы ни было число электронов в атоме, атом не излучает до тех пор, пока он не будет возбужден внешними причинами. Процесс возбуждения всегда заключается в переводе одного или нескольких электронов с орбиты, на которой они находятся в нормальном состоянии атома, на внешнюю незаполненную орбиту или в их полном удалении из атома. Возбужденное состояние атома мало устойчиво: через время порядка сек электрон возвращается в нормальное состояние. Хотя этот промежуток времени, представляющий собой среднюю продолжительность существования возбужденного состояния, весьма мал, тем не менее электрон

благодаря большой скорости движения успевает миллионы раз описать ту орбиту, на которую он оказался поднят в результате возбуждения атома.

Электроны, движущиеся ближе к ядру, связаны с ним сильнее, чем периферические. Из внутренних слоев атома электрон может быть вырван ударом быстро летящей посторонней частицы, например электрона катодных или радиоактивных лучей.

Рис. 232. Возникновение рентгеновых серий.

В результате во внутреннем слое образуется вакантное место, которое занимает один из внешних, менее связанных электронов. Во время перехода такого внешнего электрона на внутренний слой излучаются кванты с большой энергией, а следовательно, и частотой. Так возникают монохроматические рентгеновы лучи, называемые характеристическими.

В спектрах характеристического рентгенова излучения отдельные линии объединяются в серии, каждая из которых возникает в результате удаления электрона из какого-нибудь определенного рнутреннего слоя. Серии рентгеновых спектров принято обозначать теми же буквами, что и электронные слои. Так, самая жесткая, т. е. обладающая наибольшими частотами, -серия возникает при переходах электронов на освобожденные места первого, ближайшего к ядру слоя; -серия возникает при переходах во второй слой и т. д. (рис. 232).

Итак, в то время как оптические спектры возникают при переходах с одной орбиты на другую внешних электронов, рентгеновы лучи обязаны своим происхождением переходу электронов на один из внутренних, близко расположенных к ядру слоев, в которых под

влиянием какого-либо внешнего воздействия удален один или несколько электронов и возникло «свободное место». В этих внутренних частях атома влияние ядра настолько сильно, что взаимодействие электронов между собой отступает по сравнению с ним на задний план; этим объясняется простая зависимость характеристических рентгеновых спектров от атомного номера, т. е. от заряда ядра, которую в 1913 г. открыл Мозели.

Рис. 233. Закон Мозели для рентгеновых спектров элементов,

Мозели установил, что корень квадратный из частоты рентгеновых линий, излучаемых при одинаковых переходах различными элементами, является линейной функцией атомного номера элемента (рис. 233):

Это соотношение является следствием формул (5) и (8), согласно которым частота излучения головных линий серии (а также и вторых, третьих и вообще «соответственных» линий серии) пропорциональна квадрату атомного номера элемента; вытекающая отсюда простая пропорциональность между корнем квадратным из частоты и атомным номером элемента оказывается, однако, несколько нарушенной и заменяется линейной зависимостью (18), что объясняется экранирующим действием электронов на заряд ядра, не учтенным при выводе формулы (8).

Исторически закон Мозели имел большое значение (для состояния атомной физики в 1913 г.), так как в сочетании с теорией Бора этот закон позволил с уверенностью утверждать, что число электронов в атоме точно совпадает с атомным номером элемента.

Рентгеновы спектры химических соединений в основном представляют собой сумму спектров элементов, образующих данное соединение. Однако в рентгеновых спектрах некоторых химических соединений длины волн линий немного отличаются от длин волн тех же линий у элементов в чистом виде. Это объясняется некоторой перестройкой электронных оболочек атома, когда он входит в молекулу химического соединения.

В отличие от процессов, приводящих к возникновению рентгеновых спектров, процессы, протекающие на периферии атома, только в незначительной степени зависят от заряда ядра; между атомным номером элемента и его оптическим спектром не существует простой зависимости. Для характера оптического спектра решающим является положение элемента в периодической системе, другими словами, квантовые состояния или, как говорят, конфигурация внешних электронов. Спектры щелочных металлов, например, все принадлежат к одному типу, несмотря на значительную разницу в атомных номерах.

Одно из наиболее существенных различий между рентгеновыми и видимыми лучами заключается в том, что в рентгеновых спектрах не наблюдается линий поглощения. Это различие объясняется следующим образом. Поглощение рентгеновых лучей сопровождается переходом какого-либо электрона внутреннего слоя на более высокий энергетический уровень. Но поскольку все ближайшие уровни (т. е. те, из которых электрон при испускании рентгеновых лучей может перейти на внутренний слой) оказываются полностью занятыми, то поглощение происходит только в том случае, если энергия падающих лучей достаточна, чтобы перевести электрон на одну из незанятых внешних орбит. При оптическом поглощении внешние электроны могут быть переведены на любую орбиту возбужденного состояния, с которой и возвращаются обратно в нормальное состояние, испуская свет. Поэтому длина волн, соответствующих линиям поглощения, в этом случае равна длине волн линий испускания. В случае же рентгеновых лучей кванты поглощаемых электромагнитных волн должны обладать значительно большей энергией, т. е. их длины волн должны быть значительно меньше, чем длины волн линий, испускание которых мы хотим вызвать.

Кроме рассмотренных нами спектров (оптический и рентгенов) существуют еще полосатые спектры, возникновение которых связано не только с внутриатомными процессами, но и с процессами, происходящими в молекулах, т. е. особый характер этих спектров наряду с движениями электронов вызывается колебаниями и вращениями ядер атомов, образующих молекулу, относительно друг друга.

При помощи спектроскопа большой разрешающей силы полосатые спектры можно разложить более или менее совершенно на отдельные линии. Этого не удается, однако, сделать в случае

непрерывных спектров. Они излучаются не только накаленными твердыми телами, но также и многими газообразными веществами. Наличие таких спектров может показаться несовместимым с теорией Бора, однако на самом деле, согласно этой теории, как показывает детальное исследование вопроса, спектр не всегда должен состоять из отдельных резких линий.

Интересные явления наблюдаются также вследствие того, что переходы атома из возбужденного состояния в нормальное в некоторых случаях могут происходить с задержкой электрона в промежуточных состояниях (двумя-тремя ступенями). Излучаемый в этом случае свет будет иметь частоты, совершенно отличные от частоты поглощенных лучей. Таким образом, если атомы некоторого элемента осветить каким-нибудь определенным монохроматическим светом, то поглощенная энергия вновь выделится в виде излучения совершенно другой частоты. Это явление называют флуоресценцией.

В 1885г. Швейцарский физик И.Бальмер нашел определенную законмерность в расположении спектральных линий водорода и показал, что длины волн, соответствующие линиям видимой части спектра могут быть вычислены по формуле, которую теперь записывают в виде

Здесь каждому целому числу n , большему двух соответствует спектральная линия, а R называется постоянной Ридберга

Позднее в спектре водорода были найдены ещё и другие серии линий, получающиеся при замене двойки на целое число m и формула получила следующий вид:

m и n – целые числа.

При m = 1 получаются линии, лежащие в ультрафиолетовой части спектра, составляющие серию Лаймана, а при m = 3 – в инфракрасной части – серию Пашена.

С точки зрения классической физики нельзя было объяснить ни наличие самих линий, ни тем более закономерности в их расположении, а также устойчивость самого атома. Действительно, двигаясь вокруг ядра с центростремительным ускорением электрон должен излучать электромагнитные волны, теряя энергию и упасть на ядро, чего не происходит. Противоречия преодолел датский физик Н. Бор.

По идее Бора энергия атома не может иметь произвольного значения. Для каждого атома существует ряд строго определенных, дискретных значений энергии, которыми он может обладать, которые называются энергетическими уровнями атома.

1) Энергетические уровни атома определяются формулой:

Энергия атома определяется только номером орбиты (главным квантовым числом) n , так как все остальные величины в этой формуле – фундаментальные константы.

При n = 1:

Эта энергия называется энергией связи атома или энергией ионизации – такую величину энергии надо сообщить электрону, чтобы удалить его из атома.

При n = 2:

n = 3: и т. д.

Так как энергия электрона в атоме может принимать только дискретный набор значений, то говорят, что она квантована.

В основе теории Бора лежат три постулата:

I (постулат стационарных состояний).

Электрон в атоме может находится только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, атом не излучает.

II постулат (правило частот).

Электрон в атоме может « скачком» переходить из одного стационарного состояния в другое. При этом переходе испускается или поглощается квант электромагнитного поля с частотой u определяемой разностью энергий электрона в атоме в данных состояниях:

Если , то происходит излучение энергии, если – ее поглощение.

Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, другие возбужденными. Время жизни атома в возбужденном состоянии ~10 -8 с.

III постулат Бора (правило квантования орбит).

Стационарные (разрешенные) электронные орбиты в атоме находятся из условия n = 1, 2, 3…– (номер орбиты главное квантовое число)

где m – масса электрона;

V -линейная скорость его движения;

r n – радиус n -ой орбиты;

h – постоянная Планка.

Луи де Бройль выяснил сущность загадочного правила квантования электронных орбит в атоме. Согласно гипотезе де Бройля каждому электрону в атоме на стационарной орбите соответствует стоячая волна с целым числом длин волн на окружности. Если же на окружности не укладывается целое число длин волн, то волна «не замыкается» сама на себя и быстро затухает. Таким образом, разрешенным орбитам электрона в атоме соответствует условие максимума интерференции соответствующей ему волны де Бройля.

В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы. Как, например, объяснить, почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элемента? Чем обусловлены различия в спектрах атомов разных элементов?

Нильс Бор (1885-1962)
Датский физик-теоретик, общественный деятель, один из создателей современной физики. Создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах

Ответы на эти и многие другие вопросы удалось найти только в начале XX в. благодаря возникновению новой физической теории - квантовой механики. Одним из основоположников этой теории был датский физик Нильс Бор.

Бор пришёл к заключению, что свет излучается атомами вещества.

В связи с этим в 1913 г. он сформулировал два постулата.

1. Атом может находиться только в особых, стационарных состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии - энергетический уровень. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает

Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Номера стационарных орбит и энергетических уровней (начиная с первого) в общем случае обозначаются латинскими буквами: п, k и т. д. Радиусы орбит, как и энергии стационарных состояний, могут принимать не любые, а определённые дискретные значения. Первая орбита расположена ближе всех к ядру.

2. Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е к в стационарное состояние с меньшей энергией Е n

Согласно закону сохранения энергии, энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:

hv = E k - E n .

Из этого уравнения следует, что атом может излучать свет только с частотами

Атом может также поглощать фотоны. При поглощении фотона атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбуждёнными.

У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.

Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям в спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать.

Вопросы

Сформулируйте постулаты Бора.
Запишите уравнения для определения энергии и частоты излучённого фотона.
Какое состояние атома называют основным; возбуждённым?
Как объясняется совпадение линий в спектрах испускания и поглощения данного химического элемента?

Задание

В вашем распоряжении имеются две стальные спицы. Придумайте эксперименты, с помощью которых можно было бы определить: а) намагничена ли одна из спиц, и если да, то какая; б) намагничены ли обе спицы.

Примечание: в эксперименте могут быть использованы только указанные предметы.

Итоги главы. Самое главное

Ниже даны физические понятия, явления, правило, закон, постулаты и их определения и формулировки. Последовательность изложения определений не соответствует последовательности понятий.

Перенесите в тетрадь названия понятий и законов и впишите в квадратные скобки порядковый номер определения (формулировки), соответствующего данному понятию, явлению, постулату, правилу, закону.

Переменный ток ;
электромагнитная волна ;
радиосвязь ;
дисперсия света ;
явление электромагнитной индукции ;
правило Ленца ;
явление самоиндукции ;
закон преломления света ;
квантовые постулаты Бора ;
типы оптических спектров .

Проверь себя

В данной системе отсчёта магнитное поле создаётся движущимися в ней
1. фотонами
2. электронами
3. атомами
4. нейтронами
Магнитное поле обнаруживается по его действию на
1. покоящиеся в нём протоны
2. покоящиеся в нём нейтроны
3. покоящиеся в нём ионы
4. проводник с протекающим по нему электрическим током
Магнитное поле характеризуется векторной физической величиной, которая обозначается символом B и называется
1. магнитной индуктивностью
2. магнитной индукцией
3. электромагнитной индукцией
4. самоиндукцией
Закону преломления света соответствует формула

Смартфон и физика

Теоретические предпосылки для открытия спектров

Есть поговорка: «Любопытство до добра не доведет». Но это выражение скорее касается того факта, что в чужие взаимоотношения лучше не вмешиваться. Если же проявить любознательность к окружающему миру, ничего плохого не будет. В конце девятнадцатого века людям стала понятна природа магнетизма (она хорошо описана в системе уравнений Максвелла). Следующим вопросом, который захотелось разрешить ученым, стало строение вещества. Надо сразу уточнить: для науки ценно не само испускание и поглощение света атомами. Линейчатые спектры - это следствие данного явления и основание для изучения строения веществ.

Строение атома

Парадоксы атома в рамках теории Максвелла

Длина волны, частота, энергия

Спектр атома

Атомный спектр формируется в несколько этапов.

Электрон в атоме переходит с орбитали 2 (с более высокой энергией) на орбиталь 1 (с менее низкой энергией).
Высвобождается некоторое количество энергии, которое формируется как квант света (hν).
Этот квант излучается в окружающее пространство.

Таким образом и получается линейчатый спектр атома. Почему он называется именно так, объясняет его форма: когда специальные устройства «ловят» исходящие фотоны света, на регистрирующем приборе фиксируется ряд линий. Чтобы разделить фотоны разной длины волны, используется явление дифракции: волны с различной частотой имеют разный показатель преломления, следовательно, одни отклоняются сильнее, чем другие.

Свойства веществ и спектры

Недостатки метода спектров испускания

Спектры поглощения

Качественный и количественный анализ

в процентах (например, в этом сплаве содержится 1% алюминия);
в молях (в этой жидкости растворено 3 моля поваренной соли);
в граммах (в данном образце присутствуют 0,2 г урана и 0,4 грамма тория).

Применение спектров

В самом начале статьи мы говорили о смартфонах. Кремниевые полупроводниковые элементы стали такими маленькими, в том числе и благодаря исследованиям кристаллов с помощью спектрального анализа.
При любых происшествиях именно уникальность электронной оболочки каждого атома позволяет определить, какую пулю выпустили первой, почему сломался каркас машины или упал башенный кран, а также каким ядом отравился человек, и сколько времени он пробыл в воде.
Медицина используется спектральный анализ в своих целях чаще всего по отношению к жидкостям тела, но бывает, что этот метод применяется и к тканям.
Далекие галактики, облака космического газа, планеты у чужих звезд - все это изучают с помощью света и его разложения в спектры. Ученые узнают состав этих объектов, их скорость и процессы, которые в них происходят благодаря тому, что могут зафиксировать и проанализировать фотоны, которые они испускают или поглощают.

Электромагнитная шкала

Радиоволны (λ = 100 километров) передают информацию на дальние расстояния. Из-за очень большой длины волны их энергия очень низкая. Они очень легко поглощаются.
Терагерцовые волны (λ = 1-0,1 миллиметров) до недавнего времени были труднодоступны. Раньше их диапазон включали в радиоволны, но сейчас этот отрезок электромагнитной шкалы выделяется в отдельный класс.
Инфракрасные волны (λ = 0,74-2000 микрометров) переносят тепло. Костер, лампа, Солнце излучают их в избытке.

Видимый свет мы рассмотрели, поэтому более подробно о нем писать не будем.

Ультрафиолетовые волны (λ = 10-400 нанометров) смертельны для человека в избытке, но и их недостаток вызывает необратимые процессы. Наша центральная звезда дает очень много ультрафиолета, а атмосфера Земли задерживает большую его часть.

Механизм возникновения спектров поглощения и спектров испускания вещества. Происхождение спектра испускания

Смартфон и физика

Теоретические предпосылки для открытия спектров

Строение атома

Парадоксы атома в рамках теории Максвелла

Длина волны, частота, энергия

Спектр атома

и спектры

Недостатки метода спектров испускания

Спектры поглощения

Качественный и количественный анализ

Применение спектров

Электромагнитная шкала

Вопросы

Задание

Итоги главы. Самое главное

Проверь себя

Смартфон и физика

Теоретические предпосылки для открытия спектров

Строение атома

Парадоксы атома в рамках теории Максвелла

Длина волны, частота, энергия

Спектр атома

Свойства веществ и спектры

Недостатки метода спектров испускания

Спектры поглощения

Качественный и количественный анализ

Применение спектров

Электромагнитная шкала

Интересные статьи

Интересные статьи