Spektrat e linjës - kjo është ndoshta një nga temat e rëndësishme që merren parasysh në lëndën e fizikës së klasës së 8-të në seksionin e optikës. Është e rëndësishme sepse na lejon të kuptojmë strukturën atomike, si dhe ta përdorim këtë njohuri për të studiuar Universin tonë. Le ta shqyrtojmë këtë çështje në artikull.
Koncepti i spektrave elektromagnetike
Së pari, le të shpjegojmë se për çfarë do të bëhet fjalë artikulli. Të gjithë e dinë se rrezet e diellit që shohim janë valë elektromagnetike. Çdo valë karakterizohet nga dy parametra të rëndësishëm - gjatësia dhe frekuenca e saj (vetia e tretë, jo më pak e rëndësishme është amplituda, e cila pasqyron intensitetin e rrezatimit).
Në rastin e rrezatimit elektromagnetik, të dy parametrat lidhen në ekuacionin e mëposhtëm: λν=c, ku germat greke λ (lambda) dhe ν (nu) zakonisht tregojnë gjatësinë e valës dhe frekuencën e saj, përkatësisht, dhe c është shpejtësia e dritës. Meqenëse kjo e fundit është një vlerë konstante për vakumin, gjatësia dhe frekuenca e valëve elektromagnetike janë në përpjesëtim të zhdrejtë me njëra-tjetrën.
Spektri elektromagnetik në fizikë pranohetemërtoni grupin e gjatësive të valëve (frekuencave) të ndryshme që emetohen nga burimi përkatës i rrezatimit. Nëse substanca thith, por nuk lëshon valë, atëherë flitet për një spektër absorbimi ose absorbimi.
Çfarë janë spektret elektromagnetike?
Në përgjithësi, ekzistojnë dy kritere për klasifikimin e tyre:
- Nga frekuenca e rrezatimit.
- Sipas metodës së shpërndarjes së frekuencës.
Ne nuk do të ndalemi në shqyrtimin e llojit të parë të klasifikimit në këtë artikull. Këtu do të themi vetëm shkurt se ekzistojnë valë elektromagnetike të frekuencave të larta, të cilat quhen rrezatim gama (>1020 Hz) dhe rreze X (1018 -10 19 Hz). Spektri ultravjollcë është tashmë me frekuenca më të ulëta (1015-1017 Hz). Spektri i dukshëm ose optik shtrihet në diapazonin e frekuencës 1014 Hz, që korrespondon me një grup gjatësish nga 400 µm në 700 µm (disa njerëz mund të shohin pak "më të gjerë": nga 380 µm në 780 µm). Frekuencat më të ulëta korrespondojnë me spektrin infra të kuq ose termik, si dhe me valët e radios, të cilat tashmë mund të jenë disa kilometra të gjata.
Më vonë në artikull, ne do t'i hedhim një vështrim më të afërt llojit të dytë të klasifikimit, i cili është shënuar në listën e mësipërme.
Linja dhe spektrat e emetimit të vazhdueshëm
Absolutisht çdo substancë, nëse nxehet, do të lëshojë valë elektromagnetike. Çfarë frekuencash dhe gjatësi vale do të jenë ato? Përgjigja për këtë pyetje varet nga gjendja e grumbullimit të substancës në studim.
Lëngjet dhe trupat e ngurtë lëshojnë, si rregull, një grup të vazhdueshëm frekuencash, domethënë ndryshimi midis tyre është aq i vogël sa mund të flasim për një spektër të vazhdueshëm rrezatimi. Nga ana tjetër, nëse një gaz atomik me presion të ulët nxehet, ai do të fillojë të "shkëlqejë", duke emetuar gjatësi vale të përcaktuara rreptësisht. Nëse këto të fundit zhvillohen në film fotografik, atëherë ato do të jenë vija të ngushta, secila prej të cilave është përgjegjëse për një frekuencë specifike (gjatësi vale). Prandaj, ky lloj rrezatimi u quajt spektri i emetimit të linjës.
Midis linjës dhe të vazhdueshmes ekziston një lloj i ndërmjetëm spektri, i cili zakonisht lëshon një gaz molekular dhe jo atomik. Ky lloj është breza të izoluar, secila prej të cilave, kur shqyrtohet në detaje, përbëhet nga vija të veçanta të ngushta.
Spektri i absorbimit të linjës
Gjithçka që u tha në paragrafin e mëparshëm i referohej rrezatimit të valëve nga materia. Por ka edhe absorbueshmëri. Le të kryejmë eksperimentin e zakonshëm: le të marrim një gaz atomik të shkarkuar të ftohtë (për shembull, argon ose neon) dhe le të kalojë drita e bardhë nga një llambë inkandeshente. Pas kësaj, ne analizojmë fluksin e dritës që kalon nëpër gaz. Rezulton se nëse ky fluks zbërthehet në frekuenca individuale (kjo mund të bëhet duke përdorur një prizëm), atëherë në spektrin e vazhdueshëm të vëzhguar shfaqen shirita të zinj, të cilat tregojnë se këto frekuenca janë zhytur nga gazi. Në këtë rast, flitet për një spektër të përthithjes së linjës.
Në mesin e shekullit XIX. Shkencëtari gjerman i quajtur GustavKirchhoff zbuloi një veti shumë interesante: ai vuri re se vendet ku shfaqen vijat e zeza në spektrin e vazhdueshëm korrespondojnë saktësisht me frekuencat e rrezatimit të një substance të caktuar. Aktualisht, kjo veçori quhet ligji i Kirchhoff.
Seriali Balmer, Liman dhe Pashen
Që nga fundi i shekullit të 19-të, fizikanët në mbarë botën janë përpjekur të kuptojnë se cilat janë spektrat e linjës së rrezatimit. U zbulua se çdo atom i një elementi kimik në çdo kusht shfaq të njëjtin emetim, domethënë lëshon valë elektromagnetike vetëm me frekuenca specifike.
Studimet e para të detajuara për këtë çështje u kryen nga fizikani zviceran Balmer. Në eksperimentet e tij, ai përdori gaz hidrogjeni të ngrohur në temperatura të larta. Meqenëse atomi i hidrogjenit është më i thjeshtë nga të gjithë elementët kimikë të njohur, është më e lehtë të studiohen tiparet e spektrit të rrezatimit në të. Balmer mori një rezultat të mahnitshëm, të cilin e shkroi si formulën e mëposhtme:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Këtu λ është gjatësia e valës së emetuar, RH - një vlerë konstante, e cila për hidrogjenin është e barabartë me 1, 097107 m -1, n është një numër i plotë duke filluar nga 3, d.m.th. 3, 4, 5 etj.
Të gjitha gjatësitë λ, të cilat përftohen nga kjo formulë, shtrihen brenda spektrit optik të dukshëm për njerëzit. Kjo seri vlerash λ për hidrogjenin quhet spektërBalmer.
Më pas, duke përdorur pajisjet e duhura, shkencëtari amerikan Theodore Liman zbuloi spektrin ultravjollcë të hidrogjenit, të cilin e përshkroi me një formulë të ngjashme me atë të Balmerit:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Më në fund, një fizikan tjetër gjerman, Friedrich Paschen, mori një formulë për emetimin e hidrogjenit në rajonin infra të kuqe:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Megjithatë, vetëm zhvillimi i mekanikës kuantike në vitet 1920 mund t'i shpjegonte këto formula.
Rutherford, Bohr dhe modeli atomik
Në dekadën e parë të shekullit të 20-të, Ernest Rutherford (fizikan britanik me origjinë nga Zelanda e Re) kreu shumë eksperimente për të studiuar radioaktivitetin e elementeve të ndryshëm kimikë. Falë këtyre studimeve, lindi modeli i parë i atomit. Rutherford besonte se kjo "kokërr" e materies përbëhet nga një bërthamë elektrikisht pozitive dhe elektrone negative që rrotullohen në orbitat e saj. Forcat e Kulonit shpjegojnë pse atomi "nuk shpërbëhet", dhe forcat centrifugale që veprojnë mbi elektronet janë arsyeja pse këto të fundit nuk bien në bërthamë.
Gjithçka duket se është logjike në këtë model, përveç një por. Fakti është se kur lëviz përgjatë një trajektoreje lakor, çdo grimcë e ngarkuar duhet të rrezatojë valë elektromagnetike. Por në rastin e një atomi të qëndrueshëm, ky efekt nuk vërehet. Atëherë del se vetë modeli e ka gabim?
I janë bërë ndryshimet e nevojshmenjë tjetër fizikan është danezi Niels Bohr. Këto ndryshime tani njihen si postulatet e tij. Bohr prezantoi dy propozime në modelin e Rutherford:
- elektronet lëvizin në orbita të palëvizshme në një atom, ndërsa ato nuk emetojnë ose thithin fotone;
- procesi i rrezatimit (përthithjes) ndodh vetëm kur një elektron lëviz nga një orbitë në tjetrën.
Çfarë janë orbitat e palëvizshme të Bohr-it, do të shqyrtojmë në paragrafin tjetër.
Quantizimi i niveleve të energjisë
Orbitat e palëvizshme të një elektroni në një atom, për të cilat Bohr foli fillimisht, janë gjendje kuantike të qëndrueshme të kësaj vale grimce. Këto gjendje karakterizohen nga një energji e caktuar. Kjo e fundit do të thotë se elektroni në atom është në njëfarë energjie "pus". Ai mund të futet në një "gropë" tjetër nëse merr energji shtesë nga jashtë në formën e një fotoni.
Në linjën e spektrit të absorbimit dhe emetimit për hidrogjenin, formulat e të cilit janë dhënë më sipër, mund të shihni se termi i parë në kllapa është një numër i formës 1/m2, ku m=1, 2, 3.. është një numër i plotë. Ai pasqyron numrin e orbitës së palëvizshme në të cilën elektroni kalon nga një nivel më i lartë energjie n.
Si i studiojnë spektrat në diapazonin e dukshëm?
Është thënë tashmë më lart se prizmat e qelqit përdoren për këtë. Kjo u bë për herë të parë nga Isaac Newton në 1666, kur ai zbërtheu dritën e dukshme në një grup ngjyrash ylberi. Arsyeja përe cila vihet re ky efekt qëndron në varësinë e indeksit të thyerjes nga gjatësia valore. Për shembull, drita blu (valët e shkurtra) përthyhet më fort se drita e kuqe (valët e gjata).
Vini re se në rastin e përgjithshëm, kur një rreze valësh elektromagnetike lëviz në çdo mjedis material, përbërësit me frekuencë të lartë të kësaj rrezeje përthyhen dhe shpërndahen gjithmonë më fort se ato me frekuencë të ulët. Një shembull kryesor është ngjyra blu e qiellit.
Optika e lenteve dhe spektri i dukshëm
Kur punoni me lente, shpesh përdoret rrezet e diellit. Meqenëse është një spektër i vazhdueshëm, kur kalon nëpër thjerrëza, frekuencat e tij përthyhen ndryshe. Si rezultat, pajisja optike nuk është në gjendje të mbledhë të gjithë dritën në një pikë dhe shfaqen nuanca të ylberta. Ky efekt njihet si shmangie kromatike.
Problemi i treguar i optikës së lenteve zgjidhet pjesërisht duke përdorur një kombinim të syzeve optike në instrumentet e duhura (mikroskopë, teleskopë).
