Серии Бальмера, Лимана и Пашена
С конца XIX века физики всего мира стремились понять, что представляют собой линейчатые спектры излучения. Было установлено, что каждый атом данного химического элемента при любых условиях проявляет одинаковую излучательную способность, то есть испускает электромагнитные волны только конкретных частот.
Первые подробные исследования этого вопроса были проведены швейцарским физиком Бальмером. В своих экспериментах он использовал водородный газ, разогретый до высоких температур. Поскольку атом водорода является самым простым среди всех известных химических элементов, то на нем проще всего проводить изучение особенностей спектра излучения. Бальмер получил удивительный результат, который он записал в виде следующей формулы:
Здесь λ — длина излучаемой волны, RH — некоторая постоянная величина, которая для водорода равна 1,097*107 м-1, n — целое число, начиная с 3-х, то есть 3, 4, 5 и т. д.
Все длины λ, которые получаются из этой формулы, лежат в пределах оптического спектра, видимого человеком. Эта серия значений λ для водорода получила название спектра Бальмера.
Впоследствии, используя соответствующее оборудование, американский ученый Теодор Лиман открыл ультрафиолетовый водородный спектр, который он описал формулой, подобной бальмеровской:
Наконец, еще один немецкий физик, Фридрих Пашен, получил формулу для излучения водорода в инфракрасной области:
Тем не менее только развитие квантовой механики в 20-е годы XX века смогло дать объяснение этим формулам.
Как изучают спектры в видимом диапазоне?
Выше уже было сказано, что для этого используют стеклянные призмы. Впервые это сделал Исаак Ньютон в 1666 году, когда разложил видимый свет на набор цветов радуги. Причина, по которой наблюдается этот эффект, заключается в зависимости коэффициента преломления от длины волны. Так, синий цвет (короткие волны) преломляется сильнее, чем красный (длинные волны).
Отметим, что в общем случае при движении пучка электромагнитных волн в какой-либо материальной среде высокочастотные составляющие этого пучка всегда преломляются и рассеиваются сильнее, чем низкочастотные. Ярким примером является голубой цвет неба.
Резерфорд, Бор и атомная модель
В первое десятилетие XX века Эрнест Резерфорд (британский физик новозеландского происхождения) провел множество экспериментов по изучению радиоактивности различных химических элементов. Благодаря этим исследованиям родилась первая модель атома. Резерфорд полагал, что эта «крупинка» материи состоит из ядра электрически положительного и вращающихся по его орбитам электронов отрицательных. Кулоновские силы объясняют, почему атом «не разваливается», а центробежные силы, действующие на электроны, являются причиной, почему последние не падают на ядро.
Все, казалось бы, логично в этой модели, за исключением одного но. Дело в том, что при движении по криволинейной траектории любая заряженная частица должна излучать электромагнитные волны. Но в случае стабильного атома этого эффекта не наблюдается. Тогда получается, что неверна сама модель?
Необходимые поправки в нее внес другой физик – датчанин Нильс Бор. Эти поправки в настоящее время известны как его постулаты. Бор ввел два положения в модель Резерфорда:
- электроны движутся по стационарным орбитам в атоме, при этом они не излучают и не поглощают фотоны;
- процесс излучения (поглощения) происходит только тогда, когда электрон переходит с одной орбиты на другую.
Что представляют собой стационарные боровские орбиты, рассмотрим в следующем пункте.
Естественный и поляризованный свет.
При
действии света на вещество основное
значение имеет электрическаясоставляющая
электромагнитного поля световой волны,
поскольку именно она оказывает
основное действие на электроны в атомах
вещества. Поэтому,
для описания закономерностей
поляризации будем рассматривать только
световой
вектор —
вектор напряженности
электрического
поля.
Свет
представляет собой суммарное
электромагнитное излучение
множества независимо излучающих атомов.
Поэтому все
ориентации вектора
будут
равновероятны. Такой свет называется
естественным
(рис.
(а)).
Поляризованным
светом называется
свет, в котором направления
колебания вектора
каким-либо
образом упорядочены.
Частично
поляризованный свет (рис.
(б))—
свет
спреимущественным
направлением колебаний вектора
.
П
лоскополяризованный свет
—
свет в котором вектор
колеблется
только
в одной, проходящей через луч плоскости
(рис. (в)
на
предыдущей странице
и рис. (а)
и
(б)
на
этой). Эта
плоскость называется плоскостью
поляризации.
Если
концы вектора
с
течением
времени описывают в плоскости,
перпендикулярной лучу, окружность
или
эллипс
(рис.(в)), то
свет
называется циркулярно
или
эллиптически
поляризованным.
|
Степенью где |
|
минимальная
интенсивности частично поляризованного
света. Для естественного света Imах
= Imin
иP=0,
для
плоскополяризованного Imin=0
и Р
= 1.
Естественный
свет можно преобразовать в
плоскополяризованный, используя
так называемые поляризаторы,
пропускающие
колебания только определенного
направления. В качестве поляризаторов
используются среды, анизотропные в
отношении колебаний
.
Линейчатый спектр поглощения
Все сказанное в предыдущем пункте относилось к излучению волн веществом. Но оно также обладает поглощательной способностью. Проведем обычный эксперимент: возьмем холодный разряженный атомарный газ (например, аргон или неон) и пропустим через него белый свет от лампы накаливания. После этого проанализируем прошедший через газ световой поток. Окажется, что если разложить этот поток на отдельные частоты (это можно сделать с помощью призмы), то в наблюдаемом непрерывном спектре появятся черные полосы, которые свидетельствуют, что эти частоты были поглощены газом. В этом случае говорят о линейчатом спектре поглощения.
В середине XIX в. немецкий ученый по имени Густав Кирхгоф открыл очень интересное свойство: он заметил, что места, в которых на сплошном спектре появляются черные линии, точно соответствуют частотам излучения данного вещества. В настоящее время названная особенность носит название закона Кирхгофа.
Какие бывают электромагнитные спектры?
В общем случае существует два критерия их классификации:
- По частоте излучения.
- По способу распределения частот.
Не будем в данной статье останавливаться на рассмотрении 1-го типа классификации. Здесь лишь кратко скажем, что существуют электромагнитные волны высоких частот, которые называются гамма-излучением (>1020 Гц) и рентгеновским (1018-1019 Гц). Ультрафиолетовый спектр представляет собой уже меньшие частоты (1015-1017 Гц). Видимый или оптический спектр лежит в области частот 1014 Гц, что соответствует набору длин от 400 мкм до 700 мкм (некоторые люди способны видеть немного «шире»: от 380 мкм до 780 мкм). Более низкие частоты соответствуют инфракрасному или тепловому спектру, а также радиоволнам, которые уже в длину могут достигать несколько километров.
Далее в статье подробно рассмотрим 2-й тип классификации, который отмечен в списке выше.
Понятие об электромагнитных спектрах
В первую очередь поясним, о чем пойдет речь в статье. Каждый знает, что видимый нами солнечный свет представляет собой электромагнитные волны. Любая волна характеризуется двумя важными параметрами — это ее длина и частота (третьим не менее важным ее свойством является амплитуда, отражающая интенсивность излучения).
В случае электромагнитного излучения оба параметра связаны в следующее равенство: λ*ν = c, где греческими буквами λ (лямбда) и ν (ню) обычно обозначают длину волны и ее частоту, соответственно, а c — это скорость света. Поскольку последняя является величиной постоянной для вакуума, то длина и частота электромагнитных волн обратно пропорциональны друг другу.
Электромагнитным спектром в физике принято называть совокупность различных длин волн (частот), которые испускаются соответствующим источником излучения. Если же вещество поглощает, а не излучает волны, тогда говорят о спектре адсорбции или поглощения.
Спектры поглощения
Вид спектров был объяснен в модели атома Н. Бора. Тепловое излучение испускает кванты света (фотоны) любых длин волн около какого-то среднего значения, спектр получается непрерывным. Атомы возбужденного газа излучают лишь при переходах электронов с одного энергетического уровня на другой. Поэтому на спектре присутствуют только узкие полоски. Если газы находятся под большим давлением, их атомы начинают взаимодействовать, и электроны могут переходить между соседними атомами, энергия таких переходов лежит в более широком диапазоне, в результате в спектре получаются широкие полосы. Тоже самое происходит, если атомы находятся в составе молекул.
Теория Н. Бора предсказывала не только излучение при переходе с более высокого уровня на более низкий. Электроны могут переходить с более низкого уровня на более высокий, если они поглощают определенное количество энергии. Таким образом, если газ облучать белым светом с непрерывным спектром, то фотоны, обладающие энергией перехода с более низкого уровня на более высокий, будут поглощаться электронами. В составе спектра энергии этой длины волны будет меньше, в спектре появятся темные полосы.
Проведенные эксперименты подтвердили это предположение. Если белый свет пропускать через холодный газ, а потом разлагать в спектр – то в непрерывном спектре появляются темные полосы как раз в тех местах, где кванты света поглощались атомами газа. Такие спектры были названы спектрами поглощения.
Рис. 3. Примеры спектров поглощения.
Спектры поглощения газов бывают тех же типов, что и спектры излучения – линейчатые и полосатые. Первые образуют газы при низких давлениях. Вторые – это спектры газов при высоких давлениях или молекулярные спектры поглощения.
Именно спектр поглощения позволяет исследовать химический состав Солнца. Нагретая поверхность Солнца излучает непрерывный спектр, а внешние слои солнечной атмосферы избирательно поглощают свет, образуя спектр поглощения, который может быть исследован. При таком исследовании был открыт элемент гелий.
Что мы узнали?
Согласно теории Н. Бора, электроны атомов излучают свет, переходя с более высоких на более низкие энергетические уровни. При переходах на более высокий уровень, электроны поглощают свет. Таким образом, если облучать газ непрерывным спектром – в нем появятся темные линии поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения.
-
Вопрос 1 из 5
Начать тест(новая вкладка)
Линейчатые и непрерывные спектры излучения
Абсолютно любое вещество, если его нагреть, начнет испускать электромагнитные волны. Каких частот и длин волн они будут? Ответ на этот вопрос зависит от того, в каком агрегатном состоянии находится исследуемое вещество.
Жидкие и твердые тела излучают, как правило, непрерывный набор частот, то есть разница между ними настолько невелика, что можно вести речь о непрерывном спектре излучения. В свою очередь, если атомарный газ, имеющий невысокие давления, нагреть, то он начнет «светиться», испуская строго определенные длины волн. Если последние проявить на фотопленке, то они будут представлять собой узкие линии, каждая из которых отвечает за конкретную частоту (длину волны). Поэтому этот вид излучения был назван линейчатым спектром испускания.
Между линейчатым и непрерывным существует промежуточный тип спектра, который излучает обычно молекулярный, а не атомарный газ. Этот тип представляет собой изолированные полосы, каждая из которых, при ее детальном рассмотрении, состоит из отдельных узких линий.
Виды спектров
Свет, с которым имели дело первые исследователи, начиная с И.Ньютона, был светом нагретых предметов – Солнца или огня.
Ньютон показал, что белый свет представляет собой смесь различных цветов, которые могут быть разложены в спектр – в радужную полоску непрерывно изменяющегося цвета.
Позже было установлено, что такая радужная полоска характерна для излучения нагретых твердых и жидких веществ. Спектр такого типа был назван непрерывным.
Рис. 1. Непрерывный спектр.
Однако, нагретые газы при невысоких давлениях – дают совсем другую картину. Спектры нагретых газов дают не непрерывно изменяющуюся цветную полосу, а ряд узких линий, между которыми почти нет излучения. Такие спектры были названы линейчатыми.
Рис. 2. Примеры линейчатых спектров.
Особым видом линейчатых спектров являются полосатые спектры. Если газ находится под большим давлением, или состоит из многоатомных молекул, то его спектр представляет собой не узкие линии, а широкие полосы. Такие спектры были названы полосатыми.
