Line spectra - Bu belki de 8. sınıf fizik dersinde optik bölümünde ele alınan önemli konulardan biridir. Bu önemlidir çünkü atom yapısını anlamamıza ve bu bilgiyi Evrenimizi incelemek için kullanmamıza izin verir. Yazıda bu konuyu ele alalım.
Elektromanyetik spektrum kavramı
Öncelikle yazının konusu ne olacak onu açıklayalım. Herkes gördüğümüz güneş ışığının elektromanyetik dalgalar olduğunu bilir. Herhangi bir dalga iki önemli parametre ile karakterize edilir - uzunluğu ve frekansı (üçüncü, daha az önemli olmayan özelliği, radyasyonun yoğunluğunu yansıtan genliktir).
Elektromanyetik radyasyon durumunda, her iki parametre de aşağıdaki denklemde ilişkilidir: λν=c, burada Yunan harfleri λ (lambda) ve ν (nu) genellikle sırasıyla dalga boyunu ve frekansını gösterir, ve c ışık hızıdır. İkincisi vakum için sabit bir değer olduğundan, elektromanyetik dalgaların uzunluğu ve frekansı birbiriyle ters orantılıdır.
Fizikteki elektromanyetik spektrum kabul edilirkarşılık gelen radyasyon kaynağı tarafından yayılan farklı dalga boyları (frekanslar) kümesini adlandırın. Madde soğuruyor, ancak dalga yaymıyorsa, o zaman bir adsorpsiyon veya absorpsiyon spektrumundan söz edilir.
Elektromanyetik spektrum nedir?
Genel olarak, sınıflandırmaları için iki kriter vardır:
- Radyasyon frekansına göre.
- Frekans dağıtım yöntemine göre.
Bu yazıda 1. tip sınıflandırmanın ele alınması üzerinde durmayacağız. Burada sadece kısaca gama radyasyonu (>1020Hz) ve X-ışını (1018) olarak adlandırılan yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar olduğunu söyleyeceğiz. -10 19 Hz). Ultraviyole spektrumu zaten daha düşük frekanslardır (1015-1017 Hz). Görünür veya optik spektrum, 1014 Hz frekans aralığında yer alır ve bu, 400 µm ila 700 µm arasındaki bir uzunluğa karşılık gelir (bazı insanlar biraz "daha geniş" görebilir: 380 µm'den 780 µm'ye kadar). Daha düşük frekanslar, zaten birkaç kilometre uzunluğunda olabilen radyo dalgalarının yanı sıra kızılötesi veya termal spektruma karşılık gelir.
Yazının ilerleyen bölümlerinde yukarıdaki listede belirtilen 2. sınıflandırma türüne daha yakından bakacağız.
Çizgi ve sürekli emisyon spektrumları
Kesinlikle herhangi bir madde ısıtılırsa elektromanyetik dalgalar yayacaktır. Hangi frekanslar ve dalga boyları olacak? Bu sorunun cevabı, incelenen maddenin agregasyon durumuna bağlıdır.
Sıvı ve katılar, kural olarak, sürekli bir frekans kümesi yayarlar, yani aralarındaki fark o kadar küçüktür ki, sürekli bir radyasyon spektrumundan bahsedebiliriz. Buna karşılık, düşük basınca sahip bir atomik gaz ısıtılırsa, kesin olarak tanımlanmış dalga boylarını yayarak "parlamaya" başlayacaktır. İkincisi fotoğraf filmi üzerinde geliştirilirse, her biri belirli bir frekanstan (dalga boyu) sorumlu olan dar çizgiler olacaktır. Bu nedenle, bu tür radyasyona çizgi emisyon spektrumu adı verildi.
Çizgi ve sürekli arasında, genellikle atomik bir gaz yerine moleküler bir gaz yayan bir ara tür spektrum vardır. Bu tip, her biri detaylı olarak incelendiğinde ayrı dar çizgilerden oluşan izole bantlardır.
Hat absorpsiyon spektrumu
Önceki paragrafta söylenenlerin tümü, madde tarafından dalgaların radyasyonuna atıfta bulundu. Ama emiciliği de var. Her zamanki deneyi yapalım: soğuk boşalmış bir atomik gaz alalım (örneğin, argon veya neon) ve akkor lambadan gelen beyaz ışığın içinden geçmesine izin verelim. Bundan sonra gazdan geçen ışık akısını analiz ediyoruz. Bu akı bireysel frekanslara ayrıştırılırsa (bu bir prizma kullanılarak yapılabilir), o zaman gözlemlenen sürekli spektrumda bu frekansların gaz tarafından emildiğini gösteren siyah bantlar görünür. Bu durumda, bir çizgi absorpsiyon spektrumundan söz edilir.
XIX yüzyılın ortasında. Gustav adlı Alman bilim adamıKirchhoff çok ilginç bir özellik keşfetti: sürekli spektrumda siyah çizgilerin göründüğü yerlerin, belirli bir maddenin radyasyonunun frekanslarına tam olarak karşılık geldiğini fark etti. Şu anda bu özelliğe Kirchhoff yasası denir.
Balmer, Liman ve Pashen serisi
19. yüzyılın sonundan beri, dünyanın dört bir yanındaki fizikçiler radyasyonun çizgi tayfının ne olduğunu anlamaya çalıştılar. Belirli bir kimyasal elementin her atomunun her koşulda aynı emisyonu gösterdiği, yani yalnızca belirli frekanslarda elektromanyetik dalgalar yaydığı bulundu.
Bu konuda ilk detaylı çalışmalar İsviçreli fizikçi Balmer tarafından yapılmıştır. Deneylerinde yüksek sıcaklıklara ısıtılmış hidrojen gazı kullandı. Hidrojen atomu bilinen tüm kimyasal elementler arasında en basiti olduğu için, üzerindeki radyasyon spektrumunun özelliklerini incelemek en kolayıdır. Balmer, aşağıdaki formülle yazdığı harika bir sonuç elde etti:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Burada λ yayılan dalganın uzunluğudur, RH - hidrojen için 1'e eşit olan bir sabit değer, 097107 m -1, n 3 ile başlayan bir tamsayıdır, yani 3, 4, 5 vb.
Bu formülden elde edilen tüm uzunluklar λ, insanlar tarafından görülebilen optik spektrum içinde yer alır. Hidrojen için bu λ değerleri dizisine spektrum denir. Balmer.
Ardından, uygun ekipmanı kullanarak Amerikalı bilim adamı Theodore Liman, Balmer'in formülüne benzer bir formülle tanımladığı ultraviyole hidrojen spektrumunu keşfetti:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Sonunda, başka bir Alman fizikçi Friedrich Paschen, kızılötesi bölgede hidrojen emisyonu için bir formül elde etti:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Yine de, yalnızca 1920'lerde kuantum mekaniğinin gelişimi bu formülleri açıklayabilir.
Rutherford, Bohr ve atom modeli
20. yüzyılın ilk on yılında, Ernest Rutherford (Yeni Zelanda kökenli İngiliz fizikçi) çeşitli kimyasal elementlerin radyoaktivitesini incelemek için birçok deney yaptı. Bu çalışmalar sayesinde atomun ilk modeli doğdu. Rutherford, maddenin bu "tanesinin" elektriksel olarak pozitif bir çekirdekten ve yörüngelerinde dönen negatif elektronlardan oluştuğuna inanıyordu. Coulomb kuvvetleri, atomun neden "parçalanmadığını" açıklar ve elektronlara etki eden merkezkaç kuvvetleri, elektronların çekirdeğe düşmemesinin nedenidir.
Bu modelde bir ama hariç her şey mantıklı görünüyor. Gerçek şu ki, eğrisel bir yörünge boyunca hareket ederken, yüklü herhangi bir parçacık elektromanyetik dalgalar yaymalıdır. Ancak kararlı bir atom durumunda bu etki gözlenmez. Sonra modelin kendisinin yanlış olduğu ortaya çıkıyor?
Gerekli değişiklikler yapıldıbir başka fizikçi de Dane Niels Bohr. Bu değişiklikler şimdi onun postülaları olarak biliniyor. Bohr, Rutherford'un modeline iki önerme ekledi:
- elektronlar bir atomda sabit yörüngelerde hareket ederken fotonları yaymaz veya emmezler;
- radyasyon süreci (emilim) yalnızca bir elektron bir yörüngeden diğerine hareket ettiğinde meydana gelir.
Sabit Bohr yörüngeleri nedir, bir sonraki paragrafta ele alacağız.
Enerji seviyelerinin nicelleştirilmesi
Bohr'un ilk bahsettiği bir atomdaki elektronun durağan yörüngeleri, bu parçacık dalgasının kararlı kuantum durumlarıdır. Bu durumlar belirli bir enerji ile karakterize edilir. İkincisi, atomdaki elektronun bir miktar enerjide "iyi" olduğu anlamına gelir. Dışarıdan foton şeklinde ek enerji alırsa başka bir "çukura" girebilir.
Yukarıda formülleri verilen hidrojen için çizgi absorpsiyon ve emisyon spektrumlarında, parantez içindeki ilk terimin 1/m2 biçiminde bir sayı olduğunu görebilirsiniz., burada m=1, 2, 3.. bir tamsayıdır. Elektronun daha yüksek bir enerji seviyesinden geçtiği sabit yörüngenin sayısını yansıtır.
Görünür aralıktaki spektrumları nasıl incelerler?
Bunun için cam prizmaların kullanıldığı yukarıda zaten söylenmişti. Bu ilk olarak Isaac Newton tarafından 1666'da görünür ışığı bir dizi gökkuşağı rengine ayrıştırdığında yapıldı. nedenibu etkinin gözlendiği, kırılma indisinin dalga boyuna bağımlılığında yatmaktadır. Örneğin, mavi ışık (kısa dalgalar) kırmızı ışıktan (uzun dalgalar) daha güçlü bir şekilde kırılır.
Genel durumda, bir elektromanyetik dalga demeti herhangi bir maddi ortamda hareket ettiğinde, bu demetin yüksek frekanslı bileşenlerinin her zaman düşük frekanslı olanlardan daha güçlü bir şekilde kırıldığını ve saçıldığını unutmayın. En iyi örnek gökyüzünün mavi rengidir.
Lens optiği ve görünür spektrum
Lenslerle çalışırken genellikle güneş ışığı kullanılır. Sürekli bir spektrum olduğu için lensten geçerken frekansları farklı şekilde kırılır. Sonuç olarak, optik cihaz tüm ışığı bir noktada toplayamıyor ve yanardöner gölgeler ortaya çıkıyor. Bu etki, renk sapması olarak bilinir.
Belirtilen mercek optiği sorunu, uygun cihazlarda (mikroskoplar, teleskoplar) optik gözlüklerin bir kombinasyonu kullanılarak kısmen çözülür.
