Lijnspectra - dit is misschien een van de belangrijke onderwerpen die aan bod komen in de natuurkundecursus van groep 8 in de sectie optica. Het is belangrijk omdat het ons in staat stelt de atomaire structuur te begrijpen en deze kennis ook te gebruiken om ons universum te bestuderen. Laten we dit probleem in het artikel bekijken.
Het concept van elektromagnetische spectra
Laten we eerst uitleggen waar het artikel over gaat. Iedereen weet dat het zonlicht dat we zien elektromagnetische golven zijn. Elke golf wordt gekenmerkt door twee belangrijke parameters - de lengte en frequentie (de derde, niet minder belangrijke eigenschap is de amplitude, die de intensiteit van de straling weerspiegelt).
In het geval van elektromagnetische straling zijn beide parameters gerelateerd in de volgende vergelijking: λν=c, waarbij de Griekse letters λ (lambda) en ν (nu) gewoonlijk respectievelijk de golflengte en de frequentie ervan aangeven, en c is de lichtsnelheid. Aangezien de laatste een constante waarde is voor vacuüm, zijn de lengte en frequentie van elektromagnetische golven omgekeerd evenredig met elkaar.
Het elektromagnetische spectrum in de natuurkunde is geaccepteerdnoem de verzameling van verschillende golflengten (frequenties) die worden uitgezonden door de corresponderende stralingsbron. Als de stof wel absorbeert, maar geen golven uitstra alt, dan is er sprake van een adsorptie- of absorptiespectrum.
Wat zijn elektromagnetische spectra?
Over het algemeen zijn er twee criteria voor hun classificatie:
- Op stralingsfrequentie.
- Volgens de frequentieverdelingsmethode.
We zullen in dit artikel niet stilstaan bij de overweging van het eerste type classificatie. Hier zullen we slechts kort zeggen dat er elektromagnetische golven van hoge frequenties zijn, die gammastraling (>1020 Hz) en röntgenstraling (1018) worden genoemd. -10 19 Hz). Het ultraviolette spectrum is al lagere frequenties (1015-1017 Hz). Het zichtbare of optische spectrum ligt in het frequentiebereik 1014 Hz, wat overeenkomt met een reeks lengtes van 400 µm tot 700 µm (sommige mensen kunnen iets "breder" zien: van 380 µm tot 780 µm). Lagere frequenties komen overeen met het infrarood- of thermische spectrum, evenals met radiogolven, die al enkele kilometers lang kunnen zijn.
Later in het artikel zullen we het 2e type classificatie nader bekijken, dat in de bovenstaande lijst wordt vermeld.
Lijn- en continue emissiespectra
Absoluut elke stof zal, indien verwarmd, elektromagnetische golven uitzenden. Welke frequenties en golflengten zullen ze zijn? Het antwoord op deze vraag hangt af van de aggregatietoestand van de onderzochte stof.
Vloeistof en vaste stoffen zenden in de regel een continue reeks frequenties uit, dat wil zeggen dat het verschil tussen hen zo klein is dat we kunnen spreken van een continu spectrum van straling. Als een atomair gas met lage druk wordt verwarmd, zal het op zijn beurt beginnen te "gloeien" en strikt gedefinieerde golflengten uitzenden. Als deze laatste worden ontwikkeld op fotografische film, dan zullen het smalle lijnen zijn, die elk verantwoordelijk zijn voor een specifieke frequentie (golflengte). Daarom werd dit type straling het lijnemissiespectrum genoemd.
Tussen lijn en continu is er een intermediair type spectrum, dat meestal een moleculair gas uitzendt in plaats van een atomair gas. Dit type is geïsoleerde banden, die elk, wanneer ze in detail worden onderzocht, uit afzonderlijke smalle lijnen bestaan.
Lijnabsorptiespectrum
Alles wat in de vorige paragraaf werd gezegd, had betrekking op de straling van golven door materie. Maar het heeft ook absorptievermogen. Laten we het gebruikelijke experiment uitvoeren: laten we een koud ontladen atomair gas nemen (bijvoorbeeld argon of neon) en er wit licht van een gloeilamp doorheen laten gaan. Daarna analyseren we de lichtstroom die door het gas gaat. Het blijkt dat als deze flux wordt ontleed in individuele frequenties (dit kan met een prisma), er zwarte banden verschijnen in het waargenomen continue spectrum, wat erop wijst dat deze frequenties door het gas zijn geabsorbeerd. In dit geval spreekt men van een lijnabsorptiespectrum.
In het midden van de 19e eeuw. Duitse wetenschapper genaamd GustavKirchhoff ontdekte een zeer interessante eigenschap: hij merkte op dat de plaatsen waar zwarte lijnen verschijnen op het continue spectrum exact overeenkomen met de frequenties van de straling van een bepaalde stof. Momenteel wordt deze functie de wet van Kirchhoff genoemd.
Balmer, Liman en Pashen-serie
Sinds het einde van de 19e eeuw hebben natuurkundigen over de hele wereld geprobeerd te begrijpen wat de lijnspectra van straling zijn. Er werd ontdekt dat elk atoom van een bepaald chemisch element onder alle omstandigheden dezelfde emissiviteit vertoont, dat wil zeggen, het zendt elektromagnetische golven uit met alleen specifieke frequenties.
De eerste gedetailleerde studies van dit probleem werden uitgevoerd door de Zwitserse natuurkundige Balmer. In zijn experimenten gebruikte hij waterstofgas dat tot hoge temperaturen was verwarmd. Omdat het waterstofatoom het eenvoudigste is van alle bekende chemische elementen, is het het gemakkelijkst om de kenmerken van het stralingsspectrum erop te bestuderen. Balmer behaalde een verbluffend resultaat, dat hij opschreef als de volgende formule:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Hier is λ de lengte van de uitgezonden golf, RH - een constante waarde, die voor waterstof gelijk is aan 1,097107 m -1, n is een geheel getal vanaf 3, d.w.z. 3, 4, 5 enz.
Alle lengtes λ, die met deze formule worden verkregen, liggen binnen het voor mensen zichtbare optische spectrum. Deze reeks λwaarden voor waterstof heet het spectrumBalmer.
Vervolgens ontdekte de Amerikaanse wetenschapper Theodore Liman met behulp van de juiste apparatuur het ultraviolette waterstofspectrum, dat hij beschreef met een formule die vergelijkbaar is met die van Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Ten slotte verkreeg een andere Duitse natuurkundige, Friedrich Paschen, een formule voor de emissie van waterstof in het infrarode gebied:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Desalniettemin kon alleen de ontwikkeling van de kwantummechanica in de jaren twintig deze formules verklaren.
Rutherford, Bohr en het atoommodel
In het eerste decennium van de 20e eeuw voerde Ernest Rutherford (Britse natuurkundige van Nieuw-Zeelandse afkomst) veel experimenten uit om de radioactiviteit van verschillende chemische elementen te bestuderen. Dankzij deze studies werd het eerste model van het atoom geboren. Rutherford geloofde dat deze "korrel" van materie bestaat uit een elektrisch positieve kern en negatieve elektronen die in zijn banen ronddraaien. Coulombkrachten verklaren waarom het atoom "niet uit elkaar v alt", en centrifugaalkrachten die op elektronen inwerken, zijn de reden waarom deze laatste niet in de kern vallen.
Alles lijkt logisch in dit model, behalve één maar. Het feit is dat elk geladen deeltje, wanneer het langs een kromlijnig traject beweegt, elektromagnetische golven moet uitstralen. Maar in het geval van een stabiel atoom wordt dit effect niet waargenomen. Dan blijkt dat het model zelf niet klopt?
Er zijn de nodige wijzigingen in aangebrachteen andere natuurkundige is de Deen Niels Bohr. Deze amendementen staan nu bekend als zijn postulaten. Bohr introduceerde twee stellingen in het model van Rutherford:
- elektronen bewegen in stationaire banen in een atoom, terwijl ze geen fotonen uitzenden of absorberen;
- het proces van straling (absorptie) vindt alleen plaats wanneer een elektron van de ene baan naar de andere gaat.
Wat zijn stationaire Bohr-banen, zullen we in de volgende paragraaf bespreken.
Kwantisering van energieniveaus
De stationaire banen van een elektron in een atoom, waar Bohr het voor het eerst over had, zijn stabiele kwantumtoestanden van deze deeltjesgolf. Deze toestanden worden gekenmerkt door een bepaalde energie. Dit laatste betekent dat het elektron in het atoom zich in een bepaalde energie "goed" bevindt. Hij kan in een andere "put" komen als hij extra energie van buitenaf ontvangt in de vorm van een foton.
In de regel absorptie- en emissiespectra voor waterstof, waarvan de formules hierboven zijn gegeven, kun je zien dat de eerste term tussen haakjes een getal is van de vorm 1/m2, waarbij m=1, 2, 3.. een geheel getal is. Het geeft het nummer van de stationaire baan weer waarnaar het elektron gaat van een hoger energieniveau n.
Hoe bestuderen ze spectra in het zichtbare bereik?
Hierboven is al gezegd dat hiervoor glazen prisma's worden gebruikt. Dit werd voor het eerst gedaan door Isaac Newton in 1666, toen hij zichtbaar licht ontleedde in een reeks regenboogkleuren. De reden voorwaarbij dit effect wordt waargenomen, ligt in de afhankelijkheid van de brekingsindex van de golflengte. Blauw licht (korte golven) wordt bijvoorbeeld sterker gebroken dan rood licht (lange golven).
Merk op dat in het algemene geval, wanneer een bundel elektromagnetische golven in een materieel medium beweegt, de hoogfrequente componenten van deze bundel altijd sterker worden gebroken en verstrooid dan de laagfrequente componenten. Een goed voorbeeld is de blauwe kleur van de lucht.
Lensoptiek en zichtbaar spectrum
Bij het werken met lenzen wordt vaak gebruik gemaakt van zonlicht. Omdat het een continu spectrum is, worden de frequenties bij het passeren door de lens anders gebroken. Als gevolg hiervan kan het optische apparaat niet al het licht op één punt opvangen en verschijnen iriserende tinten. Dit effect staat bekend als chromatische aberratie.
Het aangegeven probleem van lensoptiek wordt gedeeltelijk opgelost door een combinatie van optische glazen te gebruiken in geschikte instrumenten (microscopen, telescopen).
