طیف های خط - این شاید یکی از مباحث مهمی باشد که در درس فیزیک پایه هشتم در قسمت اپتیک مورد توجه قرار می گیرد. این مهم است زیرا به ما امکان می دهد ساختار اتمی را درک کنیم و همچنین از این دانش برای مطالعه جهان خود استفاده کنیم. بیایید این موضوع را در مقاله بررسی کنیم.
مفهوم طیف های الکترومغناطیسی
اول از همه، بیایید توضیح دهیم که مقاله در مورد چه چیزی خواهد بود. همه می دانند که نور خورشیدی که ما می بینیم امواج الکترومغناطیسی است. هر موجی با دو پارامتر مهم مشخص می شود - طول و فرکانس آن (سومین ویژگی آن که کم اهمیت نیست دامنه است که شدت تابش را منعکس می کند).
در مورد تابش الکترومغناطیسی، هر دو پارامتر در معادله زیر مرتبط هستند: λν=c، که در آن حروف یونانی λ (لامبدا) و ν (nu) معمولاً به ترتیب نشان دهنده طول موج و فرکانس آن هستند. و c سرعت نور است. از آنجایی که دومی یک مقدار ثابت برای خلاء است، طول و فرکانس امواج الکترومغناطیسی با یکدیگر نسبت معکوس دارند.
طیف الکترومغناطیسی در فیزیک پذیرفته شده استمجموعه ای از طول موج های مختلف (فرکانس) که از منبع تابش مربوطه ساطع می شود را نام ببرید. اگر ماده جذب می‌کند، اما امواجی از خود ساطع نمی‌کند، از طیف جذب یا جذب صحبت می‌شود.
طیف های الکترومغناطیسی چیست؟
به طور کلی، دو معیار برای طبقه بندی آنها وجود دارد:
- براساس فرکانس تابش.
- براساس روش توزیع فرکانس.
ما در این مقاله به بررسی نوع 1 طبقه بندی نمی پردازیم. در اینجا فقط به اختصار می گوییم که امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا وجود دارد که به آنها تابش گاما (>1020 هرتز) و اشعه ایکس (1018 هرتز) می گویند. -10 19 هرتز). طیف فرابنفش در حال حاضر فرکانس‌های پایین‌تری دارد (1015-1017 Hz). طیف مرئی یا نوری در محدوده فرکانس 1014 هرتز قرار دارد، که مربوط به مجموعه ای از طول ها از 400 میکرومتر تا 700 میکرومتر است (برخی افراد می توانند کمی "عریض تر" ببینند: از 380 میکرومتر تا 780 میکرومتر). فرکانس‌های پایین‌تر مربوط به طیف مادون قرمز یا حرارتی و همچنین امواج رادیویی است که می‌تواند چندین کیلومتر طول داشته باشد.
در ادامه مقاله، نوع دوم طبقه بندی را که در لیست بالا ذکر شده است، از نزدیک نگاه خواهیم کرد.
خط و طیف نشر پیوسته
مطلقاً هر ماده ای اگر گرم شود، امواج الکترومغناطیسی ساطع می کند. فرکانس و طول موج آنها چه خواهد بود؟ پاسخ به این سوال بستگی به وضعیت تجمع ماده مورد مطالعه دارد.
مایع و جامدات معمولاً مجموعه ای پیوسته از فرکانس ها را ساطع می کنند، یعنی تفاوت بین آنها آنقدر کم است که می توان در مورد طیف پیوسته تابش صحبت کرد. به نوبه خود، اگر یک گاز اتمی با فشار پایین گرم شود، شروع به "درخشش" می کند و طول موج های کاملاً مشخصی منتشر می کند. اگر دومی روی فیلم عکاسی ایجاد شود، خطوط باریکی خواهند بود که هر یک از آنها فرکانس (طول موج) خاصی را بر عهده دارند. بنابراین، این نوع تابش را طیف گسیل خطی نامیدند.
بین خط و پیوسته یک نوع متوسط از طیف وجود دارد که معمولاً یک گاز مولکولی به جای گاز اتمی منتشر می کند. این نوع نوارهای ایزوله است که هر کدام از آنها با بررسی دقیق از خطوط باریک مجزا تشکیل شده است.
طیف جذب خط
تمام آنچه در پاراگراف قبل گفته شد به تابش امواج توسط ماده اشاره داشت. اما قابلیت جذب هم دارد. بیایید آزمایش معمول را انجام دهیم: بیایید یک گاز اتمی با تخلیه سرد (مثلاً آرگون یا نئون) برداریم و اجازه دهیم نور سفید یک لامپ رشته ای از آن عبور کند. پس از آن، شار نوری را که از گاز عبور می کند، تجزیه و تحلیل می کنیم. معلوم می شود که اگر این شار به فرکانس های منفرد تجزیه شود (این را می توان با استفاده از یک منشور انجام داد)، نوارهای سیاهی در طیف پیوسته مشاهده شده ظاهر می شوند که نشان می دهد این فرکانس ها توسط گاز جذب شده اند. در این مورد، از طیف جذب خط صحبت می شود.
در اواسط قرن نوزدهم. دانشمند آلمانی به نام گوستاوکیرشهوف یک ویژگی بسیار جالب کشف کرد: او متوجه شد که مکان هایی که خطوط سیاه در طیف پیوسته ظاهر می شوند دقیقاً با فرکانس های تابش یک ماده مشخص مطابقت دارند. در حال حاضر، این ویژگی قانون کیرشهوف نامیده می شود.
سریال بالمر، لیمان و پاشن
از پایان قرن نوزدهم، فیزیکدانان در سراسر جهان به دنبال درک طیف خطی تابش بودند. مشخص شد که هر اتم از یک عنصر شیمیایی معین تحت هر شرایطی دارای تابش یکسانی است، یعنی امواج الکترومغناطیسی فقط با فرکانس‌های خاص ساطع می‌کند.
اولین مطالعات دقیق درباره این موضوع توسط فیزیکدان سوئیسی بالمر انجام شد. او در آزمایشات خود از گاز هیدروژن که تا دمای بالا گرم شده بود استفاده کرد. از آنجایی که اتم هیدروژن ساده ترین در بین تمام عناصر شیمیایی شناخته شده است، مطالعه ویژگی های طیف تشعشع روی آن ساده تر است. بالمر نتیجه شگفت انگیزی گرفت که آن را به صورت فرمول زیر نوشت:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
در اینجا λ طول موج ساطع شده است، RH - مقداری ثابت، که برای هیدروژن برابر است با 1, 097107 m -1، n یک عدد صحیح است که از 3 شروع می شود، یعنی 3، 4، 5 و غیره.
همه طولهای λ که از این فرمول به دست می آیند، در طیف نوری قابل مشاهده برای انسان قرار دارند. این سری از مقادیر λ برای هیدروژن طیف نامیده می شودBalmer.
متعاقبا با استفاده از تجهیزات مناسب، دانشمند آمریکایی، تئودور لیمان، طیف هیدروژن فرابنفش را کشف کرد که با فرمولی شبیه به بالمر توصیف کرد:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
سرانجام، یک فیزیکدان آلمانی دیگر، فردریش پاشن، فرمولی برای انتشار هیدروژن در ناحیه فروسرخ به دست آورد:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
با این وجود، تنها توسعه مکانیک کوانتومی در دهه 1920 می تواند این فرمول ها را توضیح دهد.
رادرفورد، بور و مدل اتمی
در دهه اول قرن بیستم، ارنست رادرفورد (فیزیکدان بریتانیایی نیوزلندی الاصل) آزمایش های زیادی برای مطالعه رادیواکتیویته عناصر شیمیایی مختلف انجام داد. به لطف این مطالعات، اولین مدل اتم متولد شد. رادرفورد معتقد بود که این "دانه" ماده از یک هسته مثبت الکتریکی و الکترون های منفی تشکیل شده است که در مدارهای آن می چرخند. نیروهای کولن توضیح می دهند که چرا اتم "از هم نمی پاشد" و نیروهای گریز از مرکز که بر روی الکترون ها اثر می گذارند دلیل این هستند که الکترون ها به درون هسته نمی افتند.
به نظر می رسد همه چیز در این مدل منطقی است، به جز یک اما. واقعیت این است که هنگام حرکت در امتداد یک مسیر منحنی، هر ذره باردار باید امواج الکترومغناطیسی ساطع کند. اما در مورد یک اتم پایدار، این اثر مشاهده نمی شود. بعد معلوم می شود که خود مدل اشتباه است؟
اصلاحات لازم در آن انجام شدیکی دیگر از فیزیکدانان دانمارکی نیلز بور است. این اصلاحات اکنون به عنوان اصول او شناخته می شود. بور دو گزاره را در مدل رادرفورد معرفی کرد:
- الکترون ها در مدارهای ثابت اتم حرکت می کنند، در حالی که فوتون ها را ساطع یا جذب نمی کنند؛
- فرایند تابش (جذب) تنها زمانی اتفاق می افتد که یک الکترون از یک مدار به مدار دیگر حرکت کند.
مدارهای ثابت بور چیست، در پاراگراف بعدی بررسی خواهیم کرد.
کوانتیزه کردن سطوح انرژی
مدارهای ثابت یک الکترون در یک اتم، که بور اولین بار در مورد آن صحبت کرد، حالت های کوانتومی پایدار این موج ذره هستند. این حالت ها با انرژی خاصی مشخص می شوند. دومی به این معنی است که الکترون در اتم در مقداری انرژی "چاه" قرار دارد. اگر انرژی اضافی را از بیرون به شکل فوتون دریافت کند، می تواند وارد "گودال" دیگری شود.
در خط طیف جذب و نشر برای هیدروژن، که فرمول های آن در بالا آورده شده است، می بینید که اولین عبارت در پرانتز، عددی به شکل 1/m2 است. ، که در آن m=1، 2، 3.. یک عدد صحیح است. منعکس کننده تعداد مدار ثابتی است که الکترون از سطح انرژی بالاتر n به آن می گذرد.
چگونه طیف ها را در محدوده مرئی مطالعه می کنند؟
قبلاً در بالا گفته شد که برای این کار از منشورهای شیشه ای استفاده می شود. این اولین بار توسط اسحاق نیوتن در سال 1666 انجام شد، زمانی که او نور مرئی را به مجموعه ای از رنگ های رنگین کمان تجزیه کرد. دلیل اینکهکه این اثر مشاهده می شود در وابستگی ضریب شکست به طول موج نهفته است. به عنوان مثال، نور آبی (امواج کوتاه) شدیدتر از نور قرمز (امواج بلند) شکسته می شود.
توجه داشته باشید که در حالت کلی، وقتی پرتوی از امواج الکترومغناطیسی در هر محیط مادی حرکت می کند، اجزای فرکانس بالا این پرتو همیشه بیشتر از اجزای فرکانس پایین شکسته و پراکنده می شوند. یک مثال بارز رنگ آبی آسمان است.
اپتیک لنز و طیف مرئی
هنگام کار با لنزها، اغلب از نور خورشید استفاده می شود. از آنجایی که این یک طیف پیوسته است، هنگام عبور از لنز، فرکانس های آن به طور متفاوتی شکست می شود. در نتیجه، دستگاه نوری قادر به جمع آوری تمام نور در یک نقطه نیست و سایه های رنگین کمانی ظاهر می شود. این اثر به عنوان انحراف رنگی شناخته می شود.
مشکل مشخص شده اپتیک عدسی با استفاده از ترکیبی از عینک های نوری در ابزار مناسب (میکروسکوپ، تلسکوپ) تا حدی حل می شود.
