Сызықтық спектрлер – бұл 8-сынып физика курсында оптика бөлімінде қарастырылатын маңызды тақырыптардың бірі шығар. Бұл маңызды, өйткені ол бізге атом құрылымын түсінуге, сондай-ақ бұл білімді біздің Ғаламды зерттеу үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл мәселені мақалада қарастырайық.
Электромагниттік спектрлер туралы түсінік
Алдымен мақаланың не туралы болатындығын түсіндірейік. Біз көріп тұрған күн сәулесі электромагниттік толқындар екенін бәрі біледі. Кез келген толқын екі маңызды параметрмен сипатталады – оның ұзындығы мен жиілігі (оның үшінші, кем емес маңызды қасиеті – сәулеленудің қарқындылығын көрсететін амплитудасы).
Электромагниттік сәулелену жағдайында екі параметр де келесі теңдеуде байланысты: λν=c, мұнда грек әріптері λ (лямбда) және ν (nu) әдетте толқын ұзындығын және сәйкесінше оның жиілігін білдіреді, және с - жарық жылдамдығы. Соңғысы вакуум үшін тұрақты мән болғандықтан, электромагниттік толқындардың ұзындығы мен жиілігі бір-біріне кері пропорционал.
Физикадағы электромагниттік спектр қабылданғанСәулеленудің сәйкес көзі шығаратын әртүрлі толқын ұзындықтарының (жиіліктерінің) жиынтығын атаңыз. Егер зат жұтып, бірақ толқын шығармаса, онда адсорбция немесе сіңіру спектрі туралы айтылады.
Электромагниттік спектрлер дегеніміз не?
Жалпы, оларды жіктеудің екі критерийі бар:
- Сәулелену жиілігі бойынша.
- Жиілікті тарату әдісіне сәйкес.
Бұл мақалада жіктеудің 1-ші түрін қарастыруға тоқталмаймыз. Мұнда біз гамма-сәулелену (>1020 Гц) және рентгендік (1018 деп аталатын жоғары жиіліктегі электромагниттік толқындар бар екенін қысқаша айтамыз. -10 19 Гц). Ультракүлгін спектрі әлдеқашан төменірек жиіліктер (1015-1017 Гц). Көрінетін немесе оптикалық спектр 1014 Гц жиілік диапазонында жатыр, ол 400 мкм-ден 700 мкм-ге дейінгі ұзындықтар жинағына сәйкес келеді (кейбір адамдар сәл «кеңірек» көре алады: 380 мкм-ден 780 мкм-ге дейін). Төменгі жиіліктер инфрақызыл немесе жылу спектріне, сондай-ақ ұзындығы бірнеше километрге жетуі мүмкін радиотолқындарға сәйкес келеді.
Мақаланың соңынан біз жоғарыдағы тізімде көрсетілген жіктеудің 2-ші түрін егжей-тегжейлі қарастырамыз.
Сызықтық және үздіксіз сәулелену спектрлері
Мүлдем кез келген зат қыздырса, электромагниттік толқындар шығарады. Олар қандай жиіліктер мен толқын ұзындықтары болады? Бұл сұрақтың жауабы зерттелетін заттың агрегация күйіне байланысты.
Сұйық және қатты денелер, әдетте, үздіксіз жиіліктер жиынтығын шығарады, яғни олардың арасындағы айырмашылық соншалықты аз, сондықтан үздіксіз сәулелену спектрі туралы айтуға болады. Өз кезегінде, егер қысымы төмен атомдық газ қыздырылса, ол қатаң анықталған толқын ұзындығын шығаратын «жарқырай» бастайды. Егер соңғылары фотопленкада әзірленсе, онда олар әрқайсысы белгілі бір жиілікке (толқын ұзындығына) жауап беретін тар сызықтар болады. Сондықтан сәулеленудің бұл түрі сызықтық сәулелену спектрі деп аталды.
Сызықтық пен үздіксіздік арасында әдетте атомдық газ емес, молекулалық сәуле шығаратын спектрдің аралық түрі бар. Бұл түр оқшауланған жолақтар болып табылады, олардың әрқайсысы егжей-тегжейлі қарастырылған кезде жеке тар жолдардан тұрады.
Сызықты сіңіру спектрі
Алдыңғы абзацта айтылғанның бәрі толқындардың заттың сәулеленуіне қатысты. Бірақ оның сіңіргіштігі де бар. Кәдімгі тәжірибені жүргізейік: суық разрядталған атомдық газды (мысалы, аргон немесе неон) алайық және ол арқылы қыздыру шамының ақ сәулесін өткізейік. Осыдан кейін біз газ арқылы өтетін жарық ағынын талдаймыз. Анықталғандай, егер бұл ағын жеке жиіліктерге ыдырайтын болса (бұны призманың көмегімен жасауға болады), онда бақыланатын үздіксіз спектрде қара жолақтар пайда болады, бұл бұл жиіліктерді газ жұтқанын көрсетеді. Бұл жағдайда сызықты жұту спектрі туралы айтылады.
ХІХ ғасырдың ортасында. Густав есімді неміс ғалымыКирхгоф өте қызықты қасиет ашты: ол үздіксіз спектрде қара сызықтар пайда болатын орындар берілген заттың сәулелену жиіліктеріне дәл сәйкес келетінін байқады. Қазіргі уақытта бұл мүмкіндік Кирхгоф заңы деп аталады.
Балмер, Лиман және Пашен сериялары
19 ғасырдың аяғынан бастап дүние жүзінің физиктері сәулеленудің сызықтық спектрлерінің не екенін түсінуге тырысты. Берілген химиялық элементтің әрбір атомы кез келген жағдайда бірдей сәуле шығару қабілетін көрсететіні, яғни тек белгілі бір жиіліктегі электромагниттік толқындарды шығаратыны анықталды.
Бұл мәселенің алғашқы егжей-тегжейлі зерттеулерін швейцар физигі Бальмер жүргізді. Ол өз тәжірибелерінде жоғары температураға дейін қыздырылған сутегі газын пайдаланды. Сутегі атомы барлық белгілі химиялық элементтердің ішіндегі ең қарапайымы болғандықтан, ондағы сәулелену спектрінің ерекшеліктерін зерттеу оңайырақ. Балмер таңғажайып нәтижеге қол жеткізді, оны келесі формула ретінде жазды:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Мұнда λ - шығарылатын толқынның ұзындығы, RH - сутегі үшін 1-ге тең, 097107 кейбір тұрақты мән m -1, n – 3-тен басталатын бүтін сан, яғни 3, 4, 5, т.б.
Осы формуладан алынған барлық λ ұзындықтары адамдарға көрінетін оптикалық спектрде жатыр. Сутегі үшін λ мәндерінің бұл қатары спектр деп аталадыБалмер.
Кейіннен тиісті жабдықты пайдалана отырып, американдық ғалым Теодор Лиман ультракүлгін сутегі спектрін ашты, оны Балмер формуласына ұқсас формуламен сипаттады:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Соңында тағы бір неміс физигі Фридрих Пасен инфрақызыл аймақта сутегінің сәулелену формуласын алды:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Десе де, 1920 жылдардағы кванттық механиканың дамуы ғана бұл формулаларды түсіндіре алды.
Резерфорд, Бор және атом моделі
20 ғасырдың бірінші онжылдығында Эрнест Резерфорд (Жаңа Зеландиядан шыққан британдық физик) әртүрлі химиялық элементтердің радиоактивтілігін зерттеу үшін көптеген тәжірибелер жүргізді. Осы зерттеулердің арқасында атомның алғашқы моделі дүниеге келді. Резерфорд материяның бұл «дәні» электрлік оң ядро мен оның орбиталарында айналатын теріс электрондардан тұрады деп есептеді. Атомның неліктен «ыдырамайтынын» кулондық күштер түсіндіреді, ал электрондарға әсер ететін орталықтан тепкіш күштер соңғысының ядроға түспеуінің себебі болып табылады.
Бұл үлгіде бәрі қисынды сияқты, тек біреуін қоспағанда. Өйткені, қисық сызықты траектория бойынша қозғалған кезде кез келген зарядталған бөлшек электромагниттік толқындарды шығаруы керек. Бірақ тұрақты атом жағдайында бұл әсер байқалмайды. Сонда үлгінің өзі дұрыс емес болып шықты ма?
Оған қажетті түзетулер енгізілдітағы бір физик - Дания Нильс Бор. Бұл түзетулер қазір оның постулаттары ретінде белгілі. Бор Резерфорд моделіне екі ұсыныс енгізді:
- электрондар атомдағы стационарлық орбиталарда қозғалады, ал олар фотондарды шығармайды және жұтпайды;
- сәулелену процесі (жұтылу) электрон бір орбитадан екіншісіне ауысқанда ғана жүреді.
Стационар Бор орбиталары дегеніміз не, біз келесі абзацта қарастырамыз.
Энергия деңгейлерін кванттау
Бор алғаш айтқан атомдағы электронның стационарлық орбиталары осы бөлшек-толқынның тұрақты кванттық күйлері болып табылады. Бұл күйлер белгілі бір энергиямен сипатталады. Соңғысы атомдағы электронның қандай да бір энергия «ұңғысында» болуын білдіреді. Ол сырттан фотон түрінде қосымша энергия алса, ол басқа «шұңқырға» түсуі мүмкін.
Формулалары жоғарыда берілген сутегінің жұтылу және сәуле шығару спектрлерінің сызықтарында жақшадағы бірінші мүше 1/m2 түріндегі сан екенін көруге болады., мұндағы m=1, 2, 3.. бүтін сан. Ол n жоғары энергетикалық деңгейден электрон өтетін стационарлық орбитаның санын көрсетеді.
Олар көрінетін диапазондағы спектрлерді қалай зерттейді?
Бұл үшін шыны призмалар қолданылатыны жоғарыда айтылған болатын. Мұны алғаш рет Исаак Ньютон 1666 жылы көрінетін жарықты кемпірқосақ түстерінің жиынтығына ыдырату кезінде жасады. СебебіБұл әсер сыну көрсеткішінің толқын ұзындығына тәуелділігінде байқалады. Мысалы, көк жарық (қысқа толқындар) қызыл жарыққа (ұзын толқындар) қарағанда күштірек сынады.
Жалпы жағдайда, кез келген материалдық ортада электромагниттік толқындар шоғы қозғалғанда, бұл сәуленің жоғары жиілікті құрамдастары әрқашан төмен жиіліктіктерге қарағанда қатты сынатынын және шашырайтынын ескеріңіз. Ең жақсы мысал - аспанның көк түсі.
Линза оптикасы және көрінетін спектр
Линзалармен жұмыс істегенде күн сәулесі жиі пайдаланылады. Ол үздіксіз спектр болғандықтан, линзадан өткенде оның жиіліктері әртүрлі түрде сынады. Нәтижесінде оптикалық құрылғы бір нүктеде барлық жарықты жинай алмайды, ал иридесцентті реңктер пайда болады. Бұл әсер хроматикалық аберрация ретінде белгілі.
Көрсетілген линза оптикасының мәселесі сәйкес құралдарда (микроскоптар, телескоптар) оптикалық көзілдірік комбинациясын қолдану арқылы ішінара шешіледі.
