Joonspektrid – see on ehk üks olulisi teemasid, mida 8. klassi füüsikakursusel optika sektsioonis käsitletakse. See on oluline, kuna võimaldab meil mõista aatomi struktuuri ja kasutada neid teadmisi meie universumi uurimiseks. Vaatleme seda küsimust artiklis.
Elektromagnetiliste spektrite mõiste
Kõigepe alt selgitame, millest artikkel räägib. Kõik teavad, et päikesevalgus, mida me näeme, on elektromagnetlained. Iga lainet iseloomustavad kaks olulist parameetrit - selle pikkus ja sagedus (selle kolmas, mitte vähem oluline omadus on amplituud, mis peegeldab kiirguse intensiivsust).
Elektromagnetkiirguse puhul on mõlemad parameetrid seotud järgmises võrrandis: λν=c, kus kreeka tähed λ (lambda) ja ν (nu) tähistavad tavaliselt vastav alt lainepikkust ja selle sagedust, ja c on valguse kiirus. Kuna viimane on vaakumi konstantne väärtus, on elektromagnetlainete pikkus ja sagedus üksteisega pöördvõrdelised.
Füüsika elektromagnetiline spekter on aktsepteeritudnimeta erinevate lainepikkuste (sageduste) kogum, mida vastav kiirgusallikas kiirgab. Kui aine neelab, kuid ei kiirga laineid, siis räägitakse adsorptsiooni- või neeldumisspektrist.
Mis on elektromagnetilised spektrid?
Üldiselt on nende klassifitseerimisel kaks kriteeriumi:
- Kiirgussageduse järgi.
- Vastav alt sagedusjaotusmeetodile.
Selles artiklis me 1. liigituse tüübi käsitlemisel ei peatu. Siinkohal ütleme lühid alt, et on olemas kõrge sagedusega elektromagnetlained, mida nimetatakse gammakiirguseks (>1020 Hz) ja röntgenikiirguseks (1018 -10 19 Hz). Ultraviolettspekter on juba madalamate sagedustega (1015-1017 Hz). Nähtav ehk optiline spekter asub sagedusalas 1014 Hz, mis vastab pikkuste komplektile 400 µm kuni 700 µm (mõned inimesed näevad veidi "laiem alt"): 380 µm kuni 780 µm). Madalamad sagedused vastavad infrapuna- või termilisele spektrile, aga ka raadiolainetele, mis võivad olla juba mitme kilomeetri pikkused.
Hiljem artiklis vaatleme lähem alt 2. klassifikatsiooni tüüpi, mis on märgitud ül altoodud loendis.
Joon- ja pidevemissioonispektrid
Absoluutselt iga aine kiirgab kuumutamisel elektromagnetlaineid. Mis sagedused ja lainepikkused need olema saavad? Vastus sellele küsimusele sõltub uuritava aine agregatsiooni olekust.
Vedelikud ja tahked ained kiirgavad reeglina pidevat sageduste kogumit, see tähendab, et nende vaheline erinevus on nii väike, et saame rääkida pidevast kiirgusspektrist. Omakorda, kui madala rõhuga aatomgaasi kuumutatakse, hakkab see "hõõguma", kiirgades rangelt määratletud lainepikkusi. Kui viimased on ilmutatud fotofilmile, on need kitsad jooned, millest igaüks vastutab kindla sageduse (lainepikkuse) eest. Seetõttu nimetati seda tüüpi kiirgust joonkiirgusspektriks.
Jooni ja pideva vahel on vahepealset tüüpi spekter, mis tavaliselt kiirgab pigem molekulaarset kui aatomigaasi. See tüüp on isoleeritud ribad, millest igaüks koosneb üksikasjalikult uurides eraldi kitsastest joontest.
Jooni neeldumisspekter
Kõik eelmises lõigus öeldu viitas lainete kiirgusele aine poolt. Kuid sellel on ka imamisvõime. Teeme tavalise katse: võtame külmlahendusega aatomigaasi (näiteks argoon või neoon) ja laseme sellest läbi hõõglambi valge valguse. Pärast seda analüüsime gaasi läbivat valgusvoogu. Selgub, et kui see voog lagundada üksikuteks sagedusteks (seda saab teha prisma abil), siis tekivad vaadeldavas pidevas spektris mustad ribad, mis näitavad, et need sagedused neeldusid gaasi. Sel juhul räägitakse joone neeldumisspektrist.
XIX sajandi keskel. Saksa teadlane GustavKirchhoff avastas väga huvitava omaduse: ta märkas, et kohad, kus pideval spektril tekivad mustad jooned, vastavad täpselt antud aine kiirguse sagedustele. Praegu nimetatakse seda funktsiooni Kirchhoffi seaduseks.
Balmeri, Limani ja Pasheni seeriad
Alates 19. sajandi lõpust on füüsikud üle kogu maailma püüdnud mõista, mis on kiirguse joonspektrid. Leiti, et antud keemilise elemendi igal aatomil on mis tahes tingimustes sama kiirgusvõime, see tähendab, et see kiirgab ainult kindla sagedusega elektromagnetlaineid.
Esimesed üksikasjalikud uuringud selle probleemi kohta viis läbi Šveitsi füüsik Balmer. Oma katsetes kasutas ta kõrge temperatuurini kuumutatud vesinikgaasi. Kuna vesinikuaatom on kõigist teadaolevatest keemilistest elementidest kõige lihtsam, on sellel kõige lihtsam uurida kiirgusspektri tunnuseid. Balmer sai hämmastava tulemuse, mille ta pani kirja järgmise valemiga:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Siin λ on kiiratava laine pikkus, RH - mingi konstantne väärtus, mis vesiniku puhul on võrdne 1-ga, 097107 m -1, n on täisarv, mis algab 3-st, st 3, 4, 5 jne.
Kõik pikkused λ, mis on saadud selle valemi järgi, jäävad inimestele nähtavale optilisele spektrile. Seda vesiniku λ väärtuste seeriat nimetatakse spektriksBalmer.
Seejärel avastas Ameerika teadlane Theodore Liman vastava varustuse abil ultraviolettkiirguse vesiniku spektri, mida ta kirjeldas Balmeri valemiga sarnase valemiga:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Lõpuks sai teine saksa füüsik Friedrich Paschen vesiniku emissiooni valemi infrapunapiirkonnas:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Siiski võis neid valemeid seletada ainult kvantmehaanika areng 1920. aastatel.
Rutherford, Bohr ja aatomimudel
20. sajandi esimesel kümnendil viis Ernest Rutherford (Uus-Meremaa päritolu Briti füüsik) läbi palju katseid, et uurida erinevate keemiliste elementide radioaktiivsust. Tänu nendele uuringutele sündis esimene aatomimudel. Rutherford uskus, et see aine "tera" koosneb elektriliselt positiivsest tuumast ja selle orbiitidel pöörlevatest negatiivsetest elektronidest. Coulombi jõud selgitavad, miks aatom "ei lagune", ja elektronidele mõjuvad tsentrifugaaljõud on põhjus, miks viimased tuuma ei lange.
Selles mudelis tundub kõik loogiline, välja arvatud üks aga. Fakt on see, et liikudes mööda kõverjoonelist trajektoori, peab iga laetud osake kiirgama elektromagnetlaineid. Kuid stabiilse aatomi puhul seda efekti ei täheldata. Siis selgub, et mudel ise on vale?
Sellesse tehti vajalikud muudatusedteine füüsik on taanlane Niels Bohr. Neid muudatusi tuntakse nüüd tema postulaatidena. Bohr esitas Rutherfordi mudelisse kaks väidet:
- elektronid liiguvad aatomis statsionaarsetel orbiitidel, samas kui nad ei kiirga ega neela footoneid;
- kiirguse (neeldumise) protsess toimub ainult siis, kui elektron liigub ühelt orbiidilt teisele.
Mis on statsionaarsed Bohri orbiidid, käsitleme järgmises lõigus.
Energiatasemete kvantifitseerimine
Elektroni statsionaarsed orbiidid aatomis, millest Bohr esimest korda rääkis, on selle osakeste laine stabiilsed kvantseisundid. Neid olekuid iseloomustab teatud energia. Viimane tähendab, et aatomis olev elektron on mingis energias "kaevus". Ta võib sattuda teise "auku", kui ta saab väljast täiendavat energiat footoni kujul.
Vesiniku neeldumis- ja emissioonispektrites, mille valemid on toodud ülal, näete, et esimene liige sulgudes on arv kujul 1/m2, kus m=1, 2, 3.. on täisarv. See peegeldab statsionaarse orbiidi arvu, millele elektron liigub kõrgem alt energiatasemelt n.
Kuidas nad uurivad spektreid nähtavas piirkonnas?
Eespool on juba öeldud, et selleks kasutatakse klaasprismasid. Esmakordselt tegi seda Isaac Newton aastal 1666, kui ta lagundas nähtava valguse vikerkaarevärvide komplektiks. Põhjus, miksmis seda efekti täheldatakse, seisneb murdumisnäitaja sõltuvuses lainepikkusest. Näiteks sinine valgus (lühilained) murdub tugevamini kui punane valgus (pikad lained).
Pange tähele, et üldiselt, kui elektromagnetlainete kiir liigub mis tahes materiaalses keskkonnas, siis selle kiire kõrgsageduslikud komponendid murduvad ja hajuvad alati tugevam alt kui madala sagedusega komponendid. Hea näide on taeva sinine värv.
Läätse optika ja nähtav spekter
Läätsedega töötamisel kasutatakse sageli päikesevalgust. Kuna tegemist on pideva spektriga, siis läätse läbimisel murduvad selle sagedused erinev alt. Selle tulemusena ei suuda optiline seade kogu valgust ühel hetkel koguda ja ilmuvad sillerdavad varjundid. Seda efekti nimetatakse kromaatiliseks aberratsiooniks.
Niidatud objektiivi optika probleem on osaliselt lahendatud, kasutades sobivates instrumentides (mikroskoobid, teleskoobid) optiliste klaaside kombinatsiooni.
