Linienspektren - das ist vielleicht eines der wichtigen Themen, die im Physikkurs der 8. Klasse im Bereich Optik behandelt werden. Es ist wichtig, weil es uns erlaubt, die atomare Struktur zu verstehen und dieses Wissen zu nutzen, um unser Universum zu studieren. Betrachten wir dieses Problem im Artikel.
Das Konzept der elektromagnetischen Spektren
Lassen Sie uns zunächst erklären, worum es in dem Artikel gehen wird. Jeder weiß, dass das Sonnenlicht, das wir sehen, aus elektromagnetischen Wellen besteht. Jede Welle ist durch zwei wichtige Parameter gekennzeichnet - ihre Länge und Frequenz (ihre dritte, nicht weniger wichtige Eigenschaft ist die Amplitude, die die Intensität der Strahlung widerspiegelt).
Bei elektromagnetischer Strahlung stehen beide Parameter in folgender Beziehung: λν=c, wobei die griechischen Buchstaben λ (Lambda) und ν (Nu) üblicherweise die Wellenlänge bzw. deren Frequenz bezeichnen, und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Da letzteres für das Vakuum ein konstanter Wert ist, sind Länge und Frequenz elektromagnetischer Wellen umgekehrt proportional zueinander.
Das elektromagnetische Spektrum in der Physik wird akzeptiertNennen Sie die Menge der verschiedenen Wellenlängen (Frequenzen), die von der entsprechenden Strahlungsquelle emittiert werden. Wenn die Substanz absorbiert, aber keine Wellen aussendet, spricht man von einem Adsorptions- oder Absorptionsspektrum.
Was sind elektromagnetische Spektren?
Im Allgemeinen gibt es zwei Kriterien für ihre Einstufung:
- Nach Strahlungsfrequenz.
- Nach dem Häufigkeitsverteilungsverfahren.
Wir werden uns in diesem Artikel nicht mit der 1. Klassifizierungsart befassen. Hier wollen wir nur kurz sagen, dass es hochfrequente elektromagnetische Wellen gibt, die Gammastrahlung (>1020 Hz) und Röntgenstrahlung (1018 genannt werden -10 19 Hz). Das ultraviolette Spektrum ist bereits niedrigere Frequenzen (1015-1017 Hz). Das sichtbare oder optische Spektrum liegt im Frequenzbereich 1014 Hz, was einem Längenbereich von 400 µm bis 700 µm entspricht (einige Menschen sehen etwas "weiter": von 380 µm bis 780 µm). Niedrigere Frequenzen entsprechen dem infraroten oder thermischen Spektrum sowie Radiowellen, die bereits mehrere Kilometer lang sein können.
Später im Artikel gehen wir näher auf die 2. Klassifizierungsart ein, die oben in der Liste vermerkt ist.
Linien- und kontinuierliche Emissionsspektren
Absolut jede Substanz sendet elektromagnetische Wellen aus, wenn sie erhitzt wird. Welche Frequenzen und Wellenlängen werden sie haben? Die Antwort auf diese Frage hängt vom Aggregatzustand der untersuchten Substanz ab.
Flüssigkeiten und Festkörper senden in der Regel einen kontinuierlichen Satz von Frequenzen aus, das heißt, der Unterschied zwischen ihnen ist so gering, dass wir von einem kontinuierlichen Strahlungsspektrum sprechen können. Wenn wiederum ein atomares Gas mit niedrigem Druck erhitzt wird, beginnt es zu „glühen“und emittiert streng definierte Wellenlängen. Wenn letztere auf fotografischem Film entwickelt werden, handelt es sich um schmale Linien, von denen jede für eine bestimmte Frequenz (Wellenlänge) verantwortlich ist. Daher wurde diese Strahlungsart Linienemissionsspektrum genannt.
Zwischen Linie und Dauerlicht gibt es einen Zwischentyp von Spektrum, der normalerweise eher ein molekulares als ein atomares Gas aussendet. Bei diesem Typ handelt es sich um isolierte Banden, von denen jede bei genauer Betrachtung aus separaten schmalen Linien besteht.
Linienabsorptionsspektrum
Alles, was im vorigen Absatz gesagt wurde, bezog sich auf die Strahlung von Wellen durch Materie. Aber es hat auch Saugfähigkeit. Führen wir das übliche Experiment durch: Nehmen wir ein k alt entladenes Atomgas (z. B. Argon oder Neon) und lassen weißes Licht einer Glühlampe hindurch. Danach analysieren wir den Lichtfluss, der durch das Gas geht. Es stellt sich heraus, dass wenn dieser Fluss in einzelne Frequenzen zerlegt wird (dies kann mit einem Prisma durchgeführt werden), schwarze Bänder im beobachteten kontinuierlichen Spektrum erscheinen, was darauf hinweist, dass diese Frequenzen vom Gas absorbiert wurden. Man spricht in diesem Fall von einem Linienabsorptionsspektrum.
Mitte des 19. Jahrhunderts. Deutscher Wissenschaftler namens GustavKirchhoff entdeckte eine sehr interessante Eigenschaft: Er bemerkte, dass die Stellen, an denen schwarze Linien im kontinuierlichen Spektrum erscheinen, genau den Frequenzen der Strahlung einer bestimmten Substanz entsprechen. Derzeit wird diese Funktion als Kirchhoffsches Gesetz bezeichnet.
Balmer-, Liman- und Pashen-Reihe
Seit Ende des 19. Jahrhunderts versuchen Physiker auf der ganzen Welt zu verstehen, was die Linienspektren der Strahlung sind. Es wurde festgestellt, dass jedes Atom eines bestimmten chemischen Elements unter allen Bedingungen den gleichen Emissionsgrad aufweist, das heißt, es emittiert elektromagnetische Wellen nur mit bestimmten Frequenzen.
Die ersten detaillierten Studien zu diesem Thema wurden von dem Schweizer Physiker Balmer durchgeführt. In seinen Experimenten verwendete er auf hohe Temperaturen erhitztes Wasserstoffgas. Da das Wasserstoffatom das einfachste aller bekannten chemischen Elemente ist, ist es am einfachsten, die Eigenschaften des Strahlungsspektrums darauf zu untersuchen. Balmer kam zu einem erstaunlichen Ergebnis, das er als folgende Formel aufschrieb:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Hier ist λ die Länge der emittierten Welle, RH - irgendein konstanter Wert, der für Wasserstoff gleich 1 ist, 097107 m -1, n ist eine ganze Zahl beginnend mit 3, also 3, 4, 5 usw.
Alle Längen λ, die sich aus dieser Formel ergeben, liegen innerhalb des für den Menschen sichtbaren optischen Spektrums. Diese Reihe von λ-Werten für Wasserstoff wird als Spektrum bezeichnetBalmer.
Anschließend entdeckte der amerikanische Wissenschaftler Theodore Liman mit geeigneter Ausrüstung das ultraviolette Wasserstoffspektrum, das er mit einer Formel ähnlich der von Balmer beschrieb:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Schließlich hat ein anderer deutscher Physiker, Friedrich Paschen, eine Formel für die Emission von Wasserstoff im Infrarotbereich erh alten:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Trotzdem konnte erst die Entwicklung der Quantenmechanik in den 1920er Jahren diese Formeln erklären.
Rutherford, Bohr und das Atommodell
Im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts führte Ernest Rutherford (britischer Physiker neuseeländischer Herkunft) viele Experimente durch, um die Radioaktivität verschiedener chemischer Elemente zu untersuchen. Dank dieser Studien wurde das erste Modell des Atoms geboren. Rutherford glaubte, dass dieses „Korn“der Materie aus einem elektrisch positiven Kern und negativen Elektronen besteht, die in seinen Bahnen rotieren. Coulomb-Kräfte erklären, warum das Atom "nicht auseinanderfällt", und Zentrifugalkräfte, die auf Elektronen wirken, sind der Grund, warum letztere nicht in den Kern fallen.
In diesem Modell scheint alles logisch zu sein, bis auf ein Aber. Tatsache ist, dass jedes geladene Teilchen, wenn es sich entlang einer krummlinigen Bahn bewegt, elektromagnetische Wellen ausstrahlen muss. Bei einem stabilen Atom wird dieser Effekt jedoch nicht beobachtet. Dann stellt sich heraus, dass das Modell selbst falsch ist?
Die notwendigen Änderungen wurden daran vorgenommenein weiterer Physiker ist der Däne Niels Bohr. Diese Änderungen sind heute als seine Postulate bekannt. Bohr führte zwei Aussagen in Rutherfords Modell ein:
- Elektronen bewegen sich in einem Atom auf stationären Bahnen, während sie keine Photonen emittieren oder absorbieren;
- der Prozess der Strahlung (Absorption) findet nur statt, wenn sich ein Elektron von einer Bahn zur anderen bewegt.
Was stationäre Bohr-Bahnen sind, werden wir im nächsten Absatz betrachten.
Quantisierung von Energieniveaus
Die stationären Bahnen eines Elektrons in einem Atom, von denen Bohr zuerst sprach, sind stabile Quantenzustände dieser Teilchenwelle. Diese Zustände sind durch eine bestimmte Energie gekennzeichnet. Letzteres bedeutet, dass das Elektron im Atom in irgendeiner Energie "gut" ist. Er kann in eine andere "Grube" gelangen, wenn er von außen zusätzliche Energie in Form eines Photons erhält.
In den Linien-Absorptions- und Emissionsspektren für Wasserstoff, deren Formeln oben angegeben sind, sehen Sie, dass der erste Term in Klammern eine Zahl der Form 1/m2 ist, wobei m=1, 2, 3.. eine ganze Zahl ist. Sie gibt die Nummer der stationären Umlaufbahn wieder, auf die das Elektron von einem höheren Energieniveau n gelangt.
Wie untersuchen sie Spektren im sichtbaren Bereich?
Oben wurde bereits gesagt, dass dafür Glasprismen verwendet werden. Dies wurde erstmals 1666 von Isaac Newton durchgeführt, als er sichtbares Licht in eine Reihe von Regenbogenfarben zerlegte. Der Grund fürdas dieser Effekt beobachtet wird, liegt in der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge. Beispielsweise wird blaues Licht (kurze Wellen) stärker gebrochen als rotes Licht (lange Wellen).
Beachten Sie, dass im allgemeinen Fall, wenn sich ein Strahl elektromagnetischer Wellen in einem beliebigen materiellen Medium bewegt, die hochfrequenten Komponenten dieses Strahls immer stärker gebrochen und gestreut werden als die niederfrequenten. Ein Paradebeispiel ist die blaue Farbe des Himmels.
Linsenoptik und sichtbares Spektrum
Bei der Arbeit mit Linsen wird oft Sonnenlicht verwendet. Da es sich um ein kontinuierliches Spektrum handelt, werden seine Frequenzen beim Durchgang durch die Linse unterschiedlich gebrochen. Infolgedessen kann das optische Gerät nicht das gesamte Licht an einem Punkt sammeln, und es erscheinen schillernde Schattierungen. Dieser Effekt ist als chromatische Aberration bekannt.
Das angedeutete Problem der Linsenoptik wird teilweise durch die Verwendung einer Kombination von optischen Gläsern in geeigneten Instrumenten (Mikroskope, Teleskope) gelöst.
