ხაზის სპექტრები. ოპტიკა, ფიზიკა (8 კლასი). ხაზის შთანთქმის და ემისიის სპექტრები

Სარჩევი:

ხაზის სპექტრები. ოპტიკა, ფიზიკა (8 კლასი). ხაზის შთანთქმის და ემისიის სპექტრები
ხაზის სპექტრები. ოპტიკა, ფიზიკა (8 კლასი). ხაზის შთანთქმის და ემისიის სპექტრები
Anonim

ხაზოვანი სპექტრები - ეს არის ალბათ ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი თემა, რომელიც განიხილება მე-8 კლასის ფიზიკის კურსში ოპტიკის განყოფილებაში. ეს მნიშვნელოვანია, რადგან ის საშუალებას გვაძლევს გავიგოთ ატომური სტრუქტურა, ასევე გამოვიყენოთ ეს ცოდნა ჩვენი სამყაროს შესასწავლად. განვიხილოთ ეს საკითხი სტატიაში.

ელექტრომაგნიტური სპექტრების კონცეფცია

პირველ რიგში, მოდით ავხსნათ რაზე იქნება სტატია. ყველამ იცის, რომ მზის შუქი, რომელსაც ჩვენ ვხედავთ, არის ელექტრომაგნიტური ტალღები. ნებისმიერ ტალღას ახასიათებს ორი მნიშვნელოვანი პარამეტრი - სიგრძე და სიხშირე (მისი მესამე, არანაკლებ მნიშვნელოვანი თვისებაა ამპლიტუდა, რომელიც ასახავს გამოსხივების ინტენსივობას).

ელექტრომაგნიტური გამოსხივების შემთხვევაში, ორივე პარამეტრი დაკავშირებულია შემდეგ განტოლებაში: λν=c, სადაც ბერძნული ასოები λ (ლამბდა) და ν (nu) ჩვეულებრივ აღნიშნავენ ტალღის სიგრძეს და მის სიხშირეს, შესაბამისად, და c არის სინათლის სიჩქარე. ვინაიდან ეს უკანასკნელი ვაკუუმის მუდმივი მნიშვნელობაა, ელექტრომაგნიტური ტალღების სიგრძე და სიხშირე უკუპროპორციულია ერთმანეთის მიმართ.

ფიზიკაში ელექტრომაგნიტური სპექტრი მიღებულიადაასახელეთ სხვადასხვა ტალღის სიგრძის (სიხშირეების) სიმრავლე, რომლებიც გამოიყოფა შესაბამისი გამოსხივების წყაროდან. თუ ნივთიერება შთანთქავს, მაგრამ არ ასხივებს ტალღებს, მაშინ საუბარია ადსორბციის ან შთანთქმის სპექტრზე.

რა არის ელექტრომაგნიტური სპექტრები?

ზოგადად, არსებობს მათი კლასიფიკაციის ორი კრიტერიუმი:

  1. გამოსხივების სიხშირის მიხედვით.
  2. სიხშირის განაწილების მეთოდის მიხედვით.

ამ სტატიაში არ შევჩერდებით კლასიფიკაციის 1-ლი ტიპის განხილვაზე. აქ მხოლოდ მოკლედ ვიტყვით, რომ არსებობს მაღალი სიხშირის ელექტრომაგნიტური ტალღები, რომლებსაც გამა გამოსხივება (>1020 ჰც) და რენტგენი (1018). -10 19 ჰც). ულტრაიისფერი სპექტრი უკვე დაბალი სიხშირისაა (1015-1017 Hz). ხილული ან ოპტიკური სპექტრი მდგომარეობს სიხშირის დიაპაზონში 1014 ჰც, რაც შეესაბამება სიგრძის კომპლექტს 400 მკმ-დან 700 მკმ-მდე (ზოგიერთ ადამიანს შეუძლია დაინახოს ოდნავ "განიერი": 380 მკმ-დან 780 მკმ-მდე). ქვედა სიხშირეები შეესაბამება ინფრაწითელ ან თერმულ სპექტრს, ისევე როგორც რადიოტალღებს, რომელთა სიგრძე უკვე შეიძლება იყოს რამდენიმე კილომეტრი.

მოგვიანებით სტატიაში უფრო დეტალურად განვიხილავთ კლასიფიკაციის მე-2 ტიპს, რომელიც აღნიშნულია ზემოთ მოცემულ სიაში.

ხაზოვანი და უწყვეტი ემისიის სპექტრები

უწყვეტი ემისიის სპექტრი
უწყვეტი ემისიის სპექტრი

აბსოლუტურად ნებისმიერი ნივთიერება, გაცხელების შემთხვევაში, გამოყოფს ელექტრომაგნიტურ ტალღებს. რა სიხშირეები და ტალღის სიგრძე იქნება ისინი? ამ კითხვაზე პასუხი დამოკიდებულია შესწავლილი ნივთიერების აგრეგაციის მდგომარეობაზე.

თხევადი და მყარი ასხივებენ, როგორც წესი, სიხშირეების უწყვეტ სიმრავლეს, ანუ მათ შორის განსხვავება იმდენად მცირეა, რომ შეიძლება ვისაუბროთ გამოსხივების უწყვეტ სპექტრზე. თავის მხრივ, თუ დაბალი წნევის მქონე ატომური გაზი გაცხელდება, ის დაიწყებს "ნათებას", ასხივებს მკაცრად განსაზღვრულ ტალღის სიგრძეებს. თუ ეს უკანასკნელი განვითარებულია ფოტოფილმზე, მაშინ ისინი იქნება ვიწრო ხაზები, რომელთაგან თითოეული პასუხისმგებელია კონკრეტულ სიხშირეზე (ტალღის სიგრძეზე). ამიტომ ამ ტიპის გამოსხივებას ეწოდა ხაზის ემისიის სპექტრი.

ხაზსა და უწყვეტს შორის არის შუალედური ტიპის სპექტრი, რომელიც ჩვეულებრივ ასხივებს მოლეკულურ და არა ატომურ გაზს. ეს ტიპი არის იზოლირებული ზოლები, რომელთაგან თითოეული, დეტალურად განხილვისას, შედგება ცალკეული ვიწრო ხაზებისგან.

ხაზის შთანთქმის სპექტრი

წყალბადის შთანთქმის სპექტრი
წყალბადის შთანთქმის სპექტრი

ყველაფერი, რაც ითქვა წინა აბზაცში, ეხებოდა მატერიის მიერ ტალღების გამოსხივებას. მაგრამ მას ასევე აქვს შთანთქმის უნარი. ჩავატაროთ ჩვეული ექსპერიმენტი: ავიღოთ ცივი გამონადენი ატომური გაზი (მაგალითად, არგონი ან ნეონი) და გავუშვათ მასში ინკანდესენტური ნათურის თეთრმა შუქმა. ამის შემდეგ ვაანალიზებთ გაზზე გამავალ სინათლის ნაკადს. გამოდის, რომ თუ ეს ნაკადი დაიშლება ცალკეულ სიხშირეებად (ეს შეიძლება გაკეთდეს პრიზმის გამოყენებით), მაშინ დაკვირვებულ უწყვეტ სპექტრში ჩნდება შავი ზოლები, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ეს სიხშირეები შეიწოვება გაზით. ამ შემთხვევაში საუბარია ხაზის შთანთქმის სპექტრზე.

XIX საუკუნის შუა ხანებში. გერმანელი მეცნიერი გუსტავიკირხჰოფმა აღმოაჩინა ძალიან საინტერესო თვისება: მან შენიშნა, რომ ადგილები, სადაც შავი ხაზები ჩნდება უწყვეტ სპექტრზე, ზუსტად შეესაბამება მოცემული ნივთიერების გამოსხივების სიხშირეს. ამჟამად ამ მახასიათებელს კირხჰოფის კანონი ეწოდება.

ბალმერის, ლიმანის და პაშენის სერია

წყალბადის შთანთქმის და ემისიის სპექტრები
წყალბადის შთანთქმის და ემისიის სპექტრები

მე-19 საუკუნის ბოლოდან, ფიზიკოსები მთელ მსოფლიოში ცდილობდნენ გაეგოთ რა არის რადიაციის ხაზის სპექტრები. აღმოჩნდა, რომ მოცემული ქიმიური ელემენტის თითოეული ატომი ნებისმიერ პირობებში ავლენს ერთსა და იმავე ემისიურობას, ანუ ის ასხივებს მხოლოდ კონკრეტული სიხშირის ელექტრომაგნიტურ ტალღებს.

ამ საკითხის პირველი დეტალური კვლევები ჩაატარა შვეიცარიელმა ფიზიკოსმა ბალმერმა. თავის ექსპერიმენტებში მან გამოიყენა მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელებული წყალბადის გაზი. ვინაიდან წყალბადის ატომი ყველაზე მარტივია ყველა ცნობილ ქიმიურ ელემენტს შორის, ყველაზე მარტივია მასზე გამოსხივების სპექტრის მახასიათებლების შესწავლა. ბალმერმა მიიღო საოცარი შედეგი, რომელიც დაწერა შემდეგი ფორმულით:

1/λ=RH(1/4-1/n2).

აქ λ არის გამოსხივებული ტალღის სიგრძე, RH - რაღაც მუდმივი მნიშვნელობა, რომელიც წყალბადისთვის უდრის 1, 097107-1, n არის მთელი რიცხვი, რომელიც იწყება 3-დან, ანუ 3, 4, 5 და ა.შ.

ყველა სიგრძე λ, რომელიც მიღებულია ამ ფორმულიდან, მდგომარეობს ადამიანებისთვის ხილულ ოპტიკურ სპექტრში. წყალბადის λ მნიშვნელობების ამ სერიას ეწოდება სპექტრიბალმერი.

შემდეგ, შესაბამისი აღჭურვილობის გამოყენებით, ამერიკელმა მეცნიერმა თეოდორ ლიმანმა აღმოაჩინა წყალბადის ულტრაიისფერი სპექტრი, რომელიც მან აღწერა ბალმერის მსგავსი ფორმულით:

1/λ=RH(1/1-1/n2).

ბოლოს, სხვა გერმანელმა ფიზიკოსმა, ფრიდრიხ პასჩენმა, მიიღო ინფრაწითელ რეგიონში წყალბადის გამოსხივების ფორმულა:

1/λ=RH(1/9-1/n2).

მიუხედავად ამისა, მხოლოდ კვანტური მექანიკის განვითარებამ 1920-იან წლებში შეძლო ამ ფორმულების ახსნა.

რაზერფორდი, ბორი და ატომური მოდელი

რეზერფორდის ატომური მოდელი
რეზერფორდის ატომური მოდელი

მე-20 საუკუნის პირველ ათწლეულში ერნესტ რეზერფორდმა (ბრიტანელი ფიზიკოსი ახალი ზელანდიელი წარმოშობის) ჩაატარა მრავალი ექსპერიმენტი სხვადასხვა ქიმიური ელემენტების რადიოაქტიურობის შესასწავლად. ამ კვლევების წყალობით დაიბადა ატომის პირველი მოდელი. რეზერფორდს სჯეროდა, რომ მატერიის ეს „მარცვალი“შედგება ელექტრულად დადებითი ბირთვისა და უარყოფითი ელექტრონებისგან, რომლებიც ბრუნავენ მის ორბიტაზე. კულონის ძალები განმარტავენ, თუ რატომ არ იშლება ატომი, ხოლო ელექტრონებზე მოქმედი ცენტრიდანული ძალები არის მიზეზი იმისა, რომ ეს უკანასკნელი არ მოხვდება ბირთვში.

ამ მოდელში ყველაფერი ლოგიკურია, გარდა ერთი მაგრამ. ფაქტია, რომ მრუდი ტრაექტორიის გასწვრივ მოძრაობისას ნებისმიერი დამუხტული ნაწილაკი უნდა ასხივებდეს ელექტრომაგნიტურ ტალღებს. მაგრამ სტაბილური ატომის შემთხვევაში ეს ეფექტი არ შეინიშნება. მერე გამოდის, რომ თავად მოდელი არასწორია?

მასში შევიდა აუცილებელი ცვლილებებიკიდევ ერთი ფიზიკოსი არის დანიელი ნილს ბორი. ეს ცვლილებები ახლა ცნობილია როგორც მისი პოსტულატები. ბორმა შემოიტანა ორი წინადადება რეზერფორდის მოდელში:

  • ელექტრონები მოძრაობენ ატომის სტაციონარულ ორბიტებში, ხოლო ისინი არ ასხივებენ და არ შთანთქავენ ფოტონებს;
  • გამოსხივების პროცესი (შთანთქმის) ხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ელექტრონი გადადის ერთი ორბიტიდან მეორეზე.

რა არის ბორის სტაციონარული ორბიტები, განვიხილავთ შემდეგ აბზაცში.

ენერგეტიკული დონეების კვანტიზაცია

ფოტონის ემისია
ფოტონის ემისია

ელექტრონის სტაციონარული ორბიტები ატომში, რაზეც ბორმა პირველად ისაუბრა, არის ამ ნაწილაკ-ტალღის სტაბილური კვანტური მდგომარეობა. ეს მდგომარეობები ხასიათდება გარკვეული ენერგიით. ეს უკანასკნელი ნიშნავს, რომ ატომში ელექტრონი რაღაც ენერგიაშია „ჭაში“. მას შეუძლია სხვა „ორმოში“მოხვედრა, თუ დამატებით ენერგიას მიიღებს გარედან ფოტონის სახით.

წყალბადის შთანთქმის და ემისიის სპექტრში, რომლის ფორმულები მოცემულია ზემოთ, შეგიძლიათ ნახოთ, რომ ფრჩხილებში პირველი წევრი არის 1/მ2 ფორმის რიცხვი., სადაც m=1, 2, 3.. არის მთელი რიცხვი. ის ასახავს სტაციონარული ორბიტის რაოდენობას, რომელზეც ელექტრონი გადის უფრო მაღალი ენერგეტიკული დონიდან n.

როგორ სწავლობენ სპექტრებს ხილულ დიაპაზონში?

სინათლის ნაკადის დაშლა პრიზმით
სინათლის ნაკადის დაშლა პრიზმით

ზემოთ უკვე ითქვა, რომ ამისთვის გამოიყენება მინის პრიზმები. ეს პირველად გააკეთა ისააკ ნიუტონმა 1666 წელს, როდესაც მან დაშალა ხილული შუქი ცისარტყელას ფერების ერთობლიობაში. მიზეზი იმისარაც შეიმჩნევა ეს ეფექტი მდგომარეობს რეფრაქციული ინდექსის ტალღის სიგრძეზე დამოკიდებულებაში. მაგალითად, ლურჯი სინათლე (მოკლე ტალღები) უფრო ძლიერად ირღვევა, ვიდრე წითელი (გრძელი ტალღები).

გაითვალისწინეთ, რომ ზოგად შემთხვევაში, როდესაც ელექტრომაგნიტური ტალღების სხივი მოძრაობს ნებისმიერ მატერიალურ გარემოში, ამ სხივის მაღალი სიხშირის კომპონენტები ყოველთვის ირღვევა და უფრო ძლიერად იფანტება, ვიდრე დაბალი სიხშირის. მთავარი მაგალითია ცის ლურჯი ფერი.

ლინზების ოპტიკა და ხილული სპექტრი

ქრომატული აბერაციის პრობლემა
ქრომატული აბერაციის პრობლემა

ლინზებთან მუშაობისას ხშირად გამოიყენება მზის შუქი. ვინაიდან ეს არის უწყვეტი სპექტრი, ლინზაში გავლისას მისი სიხშირე განსხვავებულად ირღვევა. შედეგად, ოპტიკურ მოწყობილობას არ შეუძლია შეაგროვოს მთელი სინათლე ერთ წერტილში და ჩნდება მოლურჯო ჩრდილები. ეს ეფექტი ცნობილია როგორც ქრომატული აბერაცია.

ლინზების ოპტიკის მითითებული პრობლემა ნაწილობრივ მოგვარებულია ოპტიკური სათვალეების კომბინაციის გამოყენებით შესაბამის ინსტრუმენტებში (მიკროსკოპი, ტელესკოპები).

გირჩევთ: