Espectres de línies: aquest és potser un dels temes importants que es consideren al curs de física de 8è a la secció d'òptica. És important perquè ens permet entendre l'estructura atòmica, així com utilitzar aquest coneixement per estudiar el nostre Univers. Considerem aquest problema a l'article.
El concepte d'espectre electromagnètic
Primer de tot, expliquem de què tractarà l'article. Tothom sap que la llum solar que veiem són ones electromagnètiques. Qualsevol ona es caracteritza per dos paràmetres importants: la seva longitud i freqüència (la tercera propietat, no menys important, és l'amplitud, que reflecteix la intensitat de la radiació).
En el cas de la radiació electromagnètica, tots dos paràmetres estan relacionats en l'equació següent: λν=c, on les lletres gregues λ (lambda) i ν (nu) solen denotar la longitud d'ona i la seva freqüència, respectivament, i c és la velocitat de la llum. Com que aquest últim és un valor constant per al buit, la longitud i la freqüència de les ones electromagnètiques són inversament proporcionals entre elles.
S'accepta l'espectre electromagnètic en físicaanomena el conjunt de diferents longituds d'ona (freqüències) que emeten la font de radiació corresponent. Si la substància absorbeix, però no emet ones, es parla d'un espectre d'adsorció o d'absorció.
Què són els espectres electromagnètics?
En general, hi ha dos criteris per a la seva classificació:
- Per freqüència de radiació.
- Segons el mètode de distribució de freqüències.
No ens detenem en la consideració del 1r tipus de classificació en aquest article. Aquí només direm breument que hi ha ones electromagnètiques d' altes freqüències, que s'anomenen radiació gamma (>1020 Hz) i raigs X (1018). -10 19 Hz). L'espectre ultraviolat ja és de freqüències més baixes (1015-1017 Hz). L'espectre visible o òptic es troba en el rang de freqüències 1014 Hz, que correspon a un conjunt de longituds de 400 µm a 700 µm (algunes persones poden veure una mica més "ample": de 380 µm a 780 µm). Les freqüències més baixes corresponen a l'espectre infraroig o tèrmic, així com a les ones de ràdio, que ja poden tenir diversos quilòmetres de llarg.
Més endavant en l'article, analitzarem el segon tipus de classificació, que s'indica a la llista anterior.
Espectres d'emissió de línies i contínues
Absolutament qualsevol substància, si s'escalfa, emetrà ones electromagnètiques. Quines freqüències i longituds d'ona seran? La resposta a aquesta pregunta depèn de l'estat d'agregació de la substància en estudi.
Els líquids i els sòlids emeten, per regla general, un conjunt continu de freqüències, és a dir, la diferència entre ells és tan petita que podem parlar d'un espectre continu de radiació. Al seu torn, si s'escalfa un gas atòmic amb baixes pressions, començarà a "briller", emetent longituds d'ona estrictament definides. Si aquests últims es desenvolupen en pel·lícula fotogràfica, llavors seran línies estretes, cadascuna de les quals és responsable d'una freqüència específica (longitud d'ona). Per tant, aquest tipus de radiació es va anomenar espectre d'emissió de línies.
Entre la línia i la contínua hi ha un tipus d'espectre intermedi, que normalment emet un gas molecular més que atòmic. Aquest tipus són bandes aïllades, cadascuna de les quals, quan s'examinen en detall, consta de línies estretes separades.
Espectre d'absorció de línies
Tot el que es va dir en el paràgraf anterior es referia a la radiació de les ones per la matèria. Però també té absorció. Fem l'experiment habitual: agafem un gas atòmic descarregat en fred (per exemple, argó o neó) i deixem passar la llum blanca d'una làmpada incandescent. Després d'això, analitzem el flux de llum que travessa el gas. Resulta que si aquest flux es descomposa en freqüències individuals (això es pot fer amb un prisma), aleshores apareixen bandes negres a l'espectre continu observat, que indiquen que aquestes freqüències van ser absorbides pel gas. En aquest cas, es parla d'un espectre d'absorció de línies.
A mitjans del segle XIX. Científic alemany anomenat GustavKirchhoff va descobrir una propietat molt interessant: va observar que els llocs on apareixen línies negres en l'espectre continu corresponen exactament a les freqüències de la radiació d'una determinada substància. Actualment, aquesta característica s'anomena llei de Kirchhoff.
Sèries de Balmer, Liman i Pashen
Des de finals del segle XIX, els físics de tot el món han intentat entendre quins són els espectres de línia de la radiació. Es va trobar que cada àtom d'un element químic determinat en qualsevol condició presenta la mateixa emissivitat, és a dir, emet ones electromagnètiques només de freqüències específiques.
Els primers estudis detallats d'aquest tema van ser realitzats pel físic suís Balmer. En els seus experiments, va utilitzar gas hidrogen escalfat a altes temperatures. Com que l'àtom d'hidrogen és el més simple entre tots els elements químics coneguts, és més fàcil estudiar les característiques de l'espectre de radiació en ell. Balmer va obtenir un resultat sorprenent, que va escriure amb la fórmula següent:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Aquí λ és la longitud de l'ona emesa, RH - algun valor constant, que per a l'hidrogen és igual a 1, 097107 m -1, n és un nombre enter que comença per 3, és a dir, 3, 4, 5, etc.
Totes les longituds λ, que s'obtenen d'aquesta fórmula, es troben dins de l'espectre òptic visible per als humans. Aquesta sèrie de valors λ per a l'hidrogen s'anomena espectreBalmer.
Posteriorment, utilitzant l'equip adequat, el científic nord-americà Theodore Liman va descobrir l'espectre d'hidrogen ultraviolat, que va descriure amb una fórmula semblant a la de Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Finalment, un altre físic alemany, Friedrich Paschen, va obtenir una fórmula per a l'emissió d'hidrogen a la regió infraroja:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
No obstant això, només el desenvolupament de la mecànica quàntica a la dècada de 1920 podria explicar aquestes fórmules.
Rutherford, Bohr i el model atòmic
A la primera dècada del segle XX, Ernest Rutherford (físic britànic d'origen neozelandès) va dur a terme molts experiments per estudiar la radioactivitat de diversos elements químics. Gràcies a aquests estudis va néixer el primer model de l'àtom. Rutherford creia que aquest "gran" de matèria consisteix en un nucli elèctricament positiu i electrons negatius que giren en les seves òrbites. Les forces de Coulomb expliquen per què l'àtom "no es desfà", i les forces centrífugues que actuen sobre els electrons són la raó per la qual aquests últims no cauen al nucli.
Tot sembla lògic en aquest model, excepte un però. El fet és que quan es mou al llarg d'una trajectòria curvilínia, qualsevol partícula carregada ha d'irradiar ones electromagnètiques. Però en el cas d'un àtom estable, aquest efecte no s'observa. Aleshores resulta que el model en si és incorrecte?
S'hi van fer les esmenes necessàriesun altre físic és el danès Niels Bohr. Aquestes esmenes es coneixen ara com els seus postulats. Bohr va introduir dues proposicions al model de Rutherford:
- electrons es mouen en òrbites estacionàries en un àtom, mentre que no emeten ni absorbeixen fotons;
- el procés de radiació (absorció) només es produeix quan un electró es mou d'una òrbita a una altra.
Què són les òrbites estacionàries de Bohr, tindrem en compte al paràgraf següent.
Quantització dels nivells d'energia
Les òrbites estacionàries d'un electró en un àtom, de les quals Bohr va parlar per primera vegada, són estats quàntics estables d'aquesta ona de partícules. Aquests estats es caracteritzen per una certa energia. Això últim vol dir que l'electró de l'àtom està en una certa energia "bé". Pot entrar en una altra "fosa" si rep energia addicional de l'exterior en forma de fotó.
A l'espectre d'absorció i emissió de línies d'hidrogen, les fórmules dels quals es donen més amunt, podeu veure que el primer terme entre parèntesis és un nombre de la forma 1/m2, on m=1, 2, 3.. és un nombre enter. Reflecteix el nombre de l'òrbita estacionària a la qual passa l'electró des d'un nivell d'energia superior n.
Com estudien els espectres en el rang visible?
Ja s'ha dit més amunt que s'utilitzen prismes de vidre per a això. Això ho va fer per primera vegada Isaac Newton el 1666, quan va descompondre la llum visible en un conjunt de colors de l'arc de Sant Martí. El motiu deque aquest efecte s'observa rau en la dependència de l'índex de refracció de la longitud d'ona. Per exemple, la llum blava (ones curtes) es refracta amb més força que la llum vermella (ones llargues).
Tingueu en compte que, en el cas general, quan un feix d'ones electromagnètiques es mou en qualsevol medi material, els components d' alta freqüència d'aquest feix sempre es refracten i es dispersen amb més força que els de baixa freqüència. Un bon exemple és el color blau del cel.
Òptica de lents i espectre visible
Quan es treballa amb lents, sovint s'utilitza la llum solar. Com que és un espectre continu, en passar per la lent, les seves freqüències es refracten de manera diferent. Com a resultat, el dispositiu òptic no pot recollir tota la llum en un punt i apareixen matisos iridiscents. Aquest efecte es coneix com a aberració cromàtica.
El problema indicat de l'òptica de les lents es resol parcialment utilitzant una combinació d'ulleres òptiques en instruments adequats (microscopis, telescopis).
