Lynspektra - dit is miskien een van die belangrike onderwerpe wat in die graad 8 fisika-kursus in die optiese afdeling oorweeg word. Dit is belangrik omdat dit ons in staat stel om die atoomstruktuur te verstaan, asook om hierdie kennis te gebruik om ons Heelal te bestudeer. Kom ons kyk na hierdie kwessie in die artikel.
Die konsep van elektromagnetiese spektra
Eerstens, kom ons verduidelik waaroor die artikel gaan handel. Almal weet dat die sonlig wat ons sien elektromagnetiese golwe is. Enige golf word gekenmerk deur twee belangrike parameters - sy lengte en frekwensie (sy derde, nie minder belangrike eienskap is die amplitude, wat die intensiteit van die straling weerspieël).
In die geval van elektromagnetiese straling is beide parameters verwant in die volgende vergelyking: λν=c, waar die Griekse letters λ (lambda) en ν (nu) gewoonlik onderskeidelik die golflengte en sy frekwensie aandui, en c is die spoed van lig. Aangesien laasgenoemde 'n konstante waarde vir vakuum is, is die lengte en frekwensie van elektromagnetiese golwe omgekeerd eweredig aan mekaar.
Die elektromagnetiese spektrum in fisika word aanvaarNoem die stel verskillende golflengtes (frekwensies) wat deur die ooreenstemmende stralingsbron uitgestraal word. As die stof absorbeer, maar nie golwe uitstraal nie, dan praat mens van 'n adsorpsie- of absorpsiespektrum.
Wat is elektromagnetiese spektra?
In die algemeen is daar twee kriteria vir hul klassifikasie:
- Deur bestralingsfrekwensie.
- Volgens die frekwensieverspreidingsmetode.
Ons sal nie stilstaan by die oorweging van die 1ste tipe klassifikasie in hierdie artikel nie. Hier sal ons net kortliks sê dat daar elektromagnetiese golwe van hoë frekwensies is, wat gammastraling genoem word (>1020 Hz) en X-straal (1018) -10 19 Hz). Die ultravioletspektrum is reeds laer frekwensies (1015-1017 Hz). Die sigbare of optiese spektrum lê in die frekwensiereeks 1014 Hz, wat ooreenstem met 'n stel lengtes van 400 µm tot 700 µm (sommige mense kan 'n bietjie "wyer" sien: van 380 µm tot 780 µm). Laer frekwensies stem ooreen met die infrarooi of termiese spektrum, sowel as radiogolwe, wat reeds etlike kilometer lank kan wees.
Later in die artikel sal ons die 2de tipe klassifikasie van nader bekyk, wat in die lys hierbo aangeteken is.
Lyn en deurlopende emissiespektra
Absoluut enige stof, indien verhit, sal elektromagnetiese golwe uitstraal. Watter frekwensies en golflengtes sal dit wees? Die antwoord op hierdie vraag hang af van die toestand van samevoeging van die stof wat bestudeer word.
Vloeistof en vaste stowwe straal as 'n reël 'n aaneenlopende stel frekwensies uit, dit wil sê die verskil tussen hulle is so klein dat ons van 'n aaneenlopende spektrum van bestraling kan praat. Op sy beurt, as 'n atoomgas met lae druk verhit word, sal dit begin "gloei", wat streng gedefinieerde golflengtes uitstraal. As laasgenoemde op fotografiese film ontwikkel word, sal dit smal lyne wees, wat elkeen verantwoordelik is vir 'n spesifieke frekwensie (golflengte). Daarom is hierdie tipe bestraling die lynemissiespektrum genoem.
Tussen lyn en kontinu is daar 'n intermediêre tipe spektrum, wat gewoonlik 'n molekulêre eerder as 'n atoomgas uitstraal. Hierdie tipe is geïsoleerde bande, wat elkeen, wanneer dit in detail ondersoek word, uit aparte smal lyne bestaan.
Lynabsorpsiespektrum
Al wat in die vorige paragraaf gesê is, het verwys na die uitstraling van golwe deur materie. Maar dit het ook absorbeervermoë. Kom ons voer die gewone eksperiment uit: kom ons neem 'n koue ontlaaide atoomgas (byvoorbeeld argon of neon) en laat wit lig van 'n gloeilamp daardeur gaan. Daarna ontleed ons die ligvloei wat deur die gas gaan. Dit blyk dat as hierdie vloed in individuele frekwensies ontbind word (dit kan met 'n prisma gedoen word), dan verskyn swart bande in die waargenome kontinue spektrum, wat aandui dat hierdie frekwensies deur die gas geabsorbeer is. In hierdie geval praat mens van 'n lynabsorpsiespektrum.
In die middel van die XIX eeu. Duitse wetenskaplike genaamd GustavKirchhoff het 'n baie interessante eienskap ontdek: hy het opgemerk dat die plekke waar swart lyne op die kontinue spektrum voorkom presies ooreenstem met die frekwensies van die bestraling van 'n gegewe stof. Tans word hierdie kenmerk Kirchhoff se wet genoem.
Balmer, Liman en Pashen-reeks
Sedert die einde van die 19de eeu het fisici regoor die wêreld probeer verstaan wat die lynspektra van bestraling is. Daar is gevind dat elke atoom van 'n gegewe chemiese element onder enige toestande dieselfde emissiwiteit vertoon, dit wil sê, dit straal elektromagnetiese golwe van slegs spesifieke frekwensies uit.
Die eerste gedetailleerde studies van hierdie kwessie is deur die Switserse fisikus Balmer uitgevoer. In sy eksperimente het hy waterstofgas gebruik wat tot hoë temperature verhit is. Aangesien die waterstofatoom die eenvoudigste van alle bekende chemiese elemente is, is dit die maklikste om die kenmerke van die stralingspektrum daarop te bestudeer. Balmer het 'n wonderlike resultaat gekry, wat hy as die volgende formule neergeskryf het:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Hier is λ die lengte van die uitgestraalde golf, RH - een of ander konstante waarde, wat vir waterstof gelyk is aan 1, 097107 m -1, n is 'n heelgetal wat vanaf 3 begin, dit wil sê 3, 4, 5 ens.
Alle lengtes λ, wat uit hierdie formule verkry word, lê binne die optiese spektrum wat vir mense sigbaar is. Hierdie reeks λ-waardes vir waterstof word die spektrum genoemBalmer.
Daarna het die Amerikaanse wetenskaplike Theodore Liman, met behulp van die toepaslike toerusting, die ultravioletwaterstofspektrum ontdek, wat hy beskryf het met 'n formule soortgelyk aan Balmer s'n:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Uiteindelik het 'n ander Duitse fisikus, Friedrich Paschen, 'n formule vir die vrystelling van waterstof in die infrarooi gebied verkry:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Nietemin kon slegs die ontwikkeling van kwantummeganika in die 1920's hierdie formules verklaar.
Rutherford, Bohr en die atoommodel
In die eerste dekade van die 20ste eeu het Ernest Rutherford (Britse fisikus van Nieu-Seelandse oorsprong) baie eksperimente uitgevoer om die radioaktiwiteit van verskeie chemiese elemente te bestudeer. Danksy hierdie studies is die eerste model van die atoom gebore. Rutherford het geglo dat hierdie "korrel" materie bestaan uit 'n elektries positiewe kern en negatiewe elektrone wat in sy wentelbane roteer. Coulomb-kragte verduidelik hoekom die atoom "nie uitmekaar val nie", en sentrifugale kragte wat op elektrone inwerk is die rede waarom laasgenoemde nie in die kern val nie.
Alles blyk logies in hierdie model te wees, behalwe vir een maar. Die feit is dat wanneer dit langs 'n kromlynige baan beweeg, enige gelaaide deeltjie elektromagnetiese golwe moet uitstraal. Maar in die geval van 'n stabiele atoom word hierdie effek nie waargeneem nie. Dan blyk dit dat die model self verkeerd is?
Die nodige wysigings is daaraan aangebring'n ander fisikus is die Deen Niels Bohr. Hierdie wysigings staan nou bekend as sy postulate. Bohr het twee stellings in Rutherford se model bekendgestel:
- elektrone beweeg in stilstaande bane in 'n atoom, terwyl hulle nie fotone uitstraal of absorbeer nie;
- die proses van bestraling (absorpsie) vind slegs plaas wanneer 'n elektron van een wentelbaan na 'n ander beweeg.
Wat is stilstaande Bohr-bane, sal ons in die volgende paragraaf oorweeg.
Kwantisering van energievlakke
Die stilstaande wentelbane van 'n elektron in 'n atoom, waaroor Bohr die eerste keer gepraat het, is stabiele kwantumtoestande van hierdie deeltjie-golf. Hierdie toestande word gekenmerk deur 'n sekere energie. Laasgenoemde beteken dat die elektron in die atoom in een of ander energie "put" is. Hy kan in 'n ander "put" kom as hy bykomende energie van buite in die vorm van 'n foton ontvang.
In die lynabsorpsie- en emissiespektra vir waterstof, waarvan die formules hierbo gegee is, kan jy sien dat die eerste term tussen hakies 'n getal van die vorm 1/m2 is, waar m=1, 2, 3.. 'n heelgetal is. Dit weerspieël die nommer van die stilstaande wentelbaan waarheen die elektron vanaf 'n hoër energievlak n beweeg.
Hoe bestudeer hulle spektra in die sigbare reeks?
Daar is reeds hierbo gesê dat glasprismas hiervoor gebruik word. Dit is die eerste keer deur Isaac Newton in 1666 gedoen toe hy sigbare lig in 'n stel reënboogkleure ontbind het. Die rede virwat hierdie effek waargeneem word, lê in die afhanklikheid van die brekingsindeks op die golflengte. Byvoorbeeld, blou lig (kort golwe) word sterker gebreek as rooi lig (lang golwe).
Let op dat in die algemene geval, wanneer 'n straal van elektromagnetiese golwe in enige materiaalmedium beweeg, word die hoëfrekwensiekomponente van hierdie straal altyd sterker gebreek en verstrooi as die lae-frekwensie. 'n Goeie voorbeeld is die blou kleur van die lug.
Lensoptika en sigbare spektrum
Wanneer daar met lense gewerk word, word sonlig dikwels gebruik. Aangesien dit 'n aaneenlopende spektrum is, word sy frekwensies anders gebreek wanneer dit deur die lens beweeg. As gevolg hiervan is die optiese toestel nie in staat om al die lig op een punt te versamel nie, en iriserende skakerings verskyn. Hierdie effek staan bekend as chromatiese aberrasie.
Die aangeduide probleem van lensoptika word gedeeltelik opgelos deur 'n kombinasie van optiese brille in toepaslike instrumente (mikroskope, teleskope) te gebruik.
