Գծային սպեկտրներ. Օպտիկա, ֆիզիկա (8-րդ դասարան). Գծի կլանման և արտանետումների սպեկտրները

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Գծային սպեկտրներ - սա թերևս այն կարևոր թեմաներից է, որոնք դիտարկվում են 8-րդ դասարանի ֆիզիկայի դասընթացում օպտիկա բաժնում։ Դա կարևոր է, քանի որ այն մեզ թույլ է տալիս հասկանալ ատոմի կառուցվածքը, ինչպես նաև օգտագործել այս գիտելիքները մեր Տիեզերքն ուսումնասիրելու համար: Եկեք քննարկենք այս հարցը հոդվածում։

Էլեկտրամագնիսական սպեկտրների հայեցակարգ

Նախ, եկեք բացատրենք, թե ինչի մասին է լինելու հոդվածը։ Բոլորը գիտեն, որ արևի լույսը, որը մենք տեսնում ենք, էլեկտրամագնիսական ալիքներ են: Ցանկացած ալիք բնութագրվում է երկու կարևոր պարամետրով՝ երկարությամբ և հաճախականությամբ (նրա երրորդ, ոչ պակաս կարևոր հատկությունը ամպլիտուդն է, որն արտացոլում է ճառագայթման ինտենսիվությունը):

Էլեկտրամագնիսական ճառագայթման դեպքում երկու պարամետրերն էլ կապված են հետևյալ հավասարման մեջ՝ λν=c, որտեղ հունարեն λ (lambda) և ν (nu) տառերը սովորաբար համապատասխանաբար նշանակում են ալիքի երկարությունը և դրա հաճախականությունը, իսկ c-ն լույսի արագությունն է: Քանի որ վերջինս վակուումի համար հաստատուն արժեք է, էլեկտրամագնիսական ալիքների երկարությունը և հաճախականությունը հակադարձ համեմատական են միմյանց:

Էլեկտրամագնիսական սպեկտրը ֆիզիկայում ընդունված էանվանել տարբեր ալիքների երկարությունների (հաճախականությունների) բազմությունը, որոնք արտանետվում են համապատասխան ճառագայթման աղբյուրից: Եթե նյութը կլանում է, բայց ալիքներ չի արձակում, ապա խոսքը կլանման կամ կլանման սպեկտրի մասին է։

Ի՞նչ են էլեկտրամագնիսական սպեկտրները:

Ընդհանուր առմամբ, դրանց դասակարգման երկու չափանիշ կա.

1. Ըստ ճառագայթման հաճախականության.
2. Ըստ հաճախականության բաշխման մեթոդի։

Այս հոդվածում մենք չենք անդրադառնա դասակարգման 1-ին տեսակի քննարկմանը: Այստեղ միայն հակիրճ կասենք, որ կան բարձր հաճախականության էլեկտրամագնիսական ալիքներ, որոնք կոչվում են գամմա ճառագայթում (>10²⁰ Հց) և ռենտգեն (10^{18 -10} 19 ^{Հց): Ուլտրամանուշակագույն սպեկտրն արդեն ավելի ցածր հաճախականություն ունի (10}15^-1017 ^{Հց): Տեսանելի կամ օպտիկական սպեկտրը գտնվում է 10}14 ^{Հց հաճախականության տիրույթում, որը համապատասխանում է 400 մկմ-ից մինչև 700 մկմ երկարությունների շարքին (որոշ մարդիկ կարողանում են մի փոքր ավելի «լայն» տեսնել. 380 մկմ-ից մինչև 780 մկմ): Ցածր հաճախականությունները համապատասխանում են ինֆրակարմիր կամ ջերմային սպեկտրին, ինչպես նաև ռադիոալիքներին, որոնք արդեն կարող են ունենալ մի քանի կիլոմետր երկարություն։}

Հոդվածում ավելի ուշ մենք մանրամասն կանդրադառնանք դասակարգման 2-րդ տեսակին, որը նշված է վերը նշված ցանկում:

Գծային և շարունակական արտանետումների սպեկտրներ

Բացարձակ ցանկացած նյութ, եթե տաքացվի, էլեկտրամագնիսական ալիքներ կարձակի։ Ի՞նչ հաճախականություններ և ալիքի երկարություններ կլինեն դրանք: Այս հարցի պատասխանը կախված է ուսումնասիրվող նյութի ագրեգացման վիճակից։

Հեղուկը և պինդ մարմիններն արտանետում են, որպես կանոն, հաճախականությունների շարունակական շարք, այսինքն՝ նրանց միջև տարբերությունն այնքան փոքր է, որ կարելի է խոսել ճառագայթման շարունակական սպեկտրի մասին։ Իր հերթին, եթե ցածր ճնշում ունեցող ատոմային գազը տաքացվի, այն կսկսի «փայլել»՝ արձակելով խիստ սահմանված ալիքի երկարություններ։ Եթե վերջիններս մշակվեն լուսանկարչական թաղանթի վրա, ապա դրանք կլինեն նեղ գծեր, որոնցից յուրաքանչյուրը պատասխանատու է որոշակի հաճախականության (ալիքի երկարության) համար։ Հետևաբար, ճառագայթման այս տեսակը կոչվեց գծային արտանետումների սպեկտր:

Գծի և շարունակականի միջև կա սպեկտրի միջանկյալ տեսակ, որը սովորաբար արտանետում է մոլեկուլային, այլ ոչ թե ատոմային գազ: Այս տեսակը մեկուսացված ժապավեններ է, որոնցից յուրաքանչյուրը, երբ մանրամասն ուսումնասիրվում է, բաղկացած է առանձին նեղ գծերից:

Գծի կլանման սպեկտր

Այն, ինչ ասվեց նախորդ պարբերությունում, վերաբերում էր նյութի կողմից ալիքների ճառագայթմանը: Բայց այն նաև ներծծողություն ունի։ Եկեք կատարենք սովորական փորձը. վերցնենք սառը արտանետվող ատոմային գազ (օրինակ՝ արգոն կամ նեոն) և թույլ տանք, որ դրա միջով անցնի շիկացած լամպի սպիտակ լույսը։ Դրանից հետո մենք վերլուծում ենք գազի միջով անցնող լույսի հոսքը։ Ստացվում է, որ եթե այս հոսքը տարրալուծվում է առանձին հաճախականությունների (դա կարելի է անել պրիզմայի միջոցով), ապա դիտարկվող շարունակական սպեկտրում հայտնվում են սև շերտեր, որոնք ցույց են տալիս, որ այդ հաճախականությունները կլանվել են գազի կողմից։ Այս դեպքում խոսվում է գծի կլանման սպեկտրի մասին։

XIX դարի կեսերին. Գուստավ անունով գերմանացի գիտնականԿիրխհոֆը հայտնաբերեց մի շատ հետաքրքիր հատկություն՝ նա նկատեց, որ այն վայրերը, որտեղ սև գծերը հայտնվում են շարունակական սպեկտրի վրա, ճշգրիտ համապատասխանում են տվյալ նյութի ճառագայթման հաճախականություններին։ Ներկայումս այս հատկանիշը կոչվում է Կիրխհոֆի օրենք։

Բալմեր, Լիման և Պաշեն սերիա

19-րդ դարի վերջից ի վեր ամբողջ աշխարհի ֆիզիկոսները ձգտում էին հասկանալ, թե որն է ճառագայթման գծային սպեկտրը: Պարզվել է, որ տվյալ քիմիական տարրի յուրաքանչյուր ատոմ ցանկացած պայմաններում ցուցադրում է նույն արտանետումը, այսինքն՝ արձակում է միայն որոշակի հաճախականության էլեկտրամագնիսական ալիքներ։

Այս հարցի առաջին մանրամասն ուսումնասիրություններն իրականացվել են շվեյցարացի ֆիզիկոս Բալմերի կողմից։ Իր փորձերում նա օգտագործել է ջրածնային գազ, որը տաքացվում էր մինչև բարձր ջերմաստիճան: Քանի որ ջրածնի ատոմը ամենապարզն է բոլոր հայտնի քիմիական տարրերի մեջ, ամենահեշտն է ուսումնասիրել դրա վրա ճառագայթման սպեկտրի առանձնահատկությունները: Բալմերը ստացավ զարմանալի արդյունք, որը նա գրեց հետևյալ բանաձևով՝

1/λ=R_H(1/4-1/n²).

Այստեղ λ-ն արտանետվող ալիքի երկարությունն է, R_H - որոշ հաստատուն արժեք, որը ջրածնի համար հավասար է 1, 09710⁷ m ^-1, n-ը 3-ից սկսած ամբողջ թիվ է, այսինքն՝ 3, 4, 5 և այլն:

Բոլոր երկարությունները λ, որոնք ստացվում են այս բանաձևից, գտնվում են մարդկանց համար տեսանելի օպտիկական սպեկտրում: Ջրածնի λ արժեքների այս շարքը կոչվում է սպեկտրԲալմեր.

Այնուհետև, օգտագործելով համապատասխան սարքավորումները, ամերիկացի գիտնական Թեոդոր Լիմանը հայտնաբերեց ուլտրամանուշակագույն ջրածնի սպեկտրը, որը նա նկարագրեց Բալմերի բանաձևով.

1/λ=R_H(1/1-1/n²).

Վերջապես, մեկ այլ գերմանացի ֆիզիկոս՝ Ֆրիդրիխ Պաշենը, ստացավ ինֆրակարմիր հատվածում ջրածնի արտանետման բանաձև՝

1/λ=R_H(1/9-1/n²).

Այնուամենայնիվ, միայն քվանտային մեխանիկայի զարգացումը 1920-ականներին կարող էր բացատրել այս բանաձևերը:

Ռադերֆորդը, Բորը և ատոմային մոդելը

20-րդ դարի առաջին տասնամյակում Էռնեստ Ռադերֆորդը (նորզելանդական ծագումով բրիտանացի ֆիզիկոս) բազմաթիվ փորձեր է անցկացրել՝ ուսումնասիրելու տարբեր քիմիական տարրերի ռադիոակտիվությունը։ Այս ուսումնասիրությունների շնորհիվ ծնվեց ատոմի առաջին մոդելը։ Ռադերֆորդը կարծում էր, որ նյութի այս «հատիկը» բաղկացած է էլեկտրական դրական միջուկից և նրա ուղեծրերում պտտվող բացասական էլեկտրոններից։ Կուլոնյան ուժերը բացատրում են, թե ինչու ատոմը «չի քանդվում», իսկ էլեկտրոնների վրա գործող կենտրոնախույս ուժերն են պատճառը, որ վերջիններս չեն ընկնում միջուկը։

Այս մոդելում կարծես թե ամեն ինչ տրամաբանական է, բացի մեկ բայցից։ Բանն այն է, որ կորագիծ հետագծով շարժվելիս ցանկացած լիցքավորված մասնիկ պետք է էլեկտրամագնիսական ալիքներ արձակի: Բայց կայուն ատոմի դեպքում այդ ազդեցությունը չի նկատվում։ Հետո պարզվում է, որ մոդելն ինքնին սխալ է:

Դրանում կատարվել են անհրաժեշտ փոփոխություններՄեկ այլ ֆիզիկոս դանիացի Նիլս Բորն է: Այս փոփոխություններն այժմ հայտնի են որպես նրա պոստուլատներ: Բորը Ռադերֆորդի մոդելի մեջ մտցրեց երկու առաջարկ՝

• էլեկտրոնները շարժվում են ատոմի անշարժ ուղեծրերով, մինչդեռ նրանք չեն արտանետում կամ կլանում ֆոտոններ;
• ճառագայթման (կլանման) գործընթացը տեղի է ունենում միայն այն ժամանակ, երբ էլեկտրոնը շարժվում է մի ուղեծրից մյուսը:

Ինչ են Բորի անշարժ ուղեծրերը, մենք կքննարկենք հաջորդ պարբերությունում:

Էներգիայի մակարդակների քվանտացում

Ատոմում էլեկտրոնի անշարժ ուղեծրերը, որոնց մասին առաջին անգամ խոսեց Բորը, այս մասնիկ-ալիքի կայուն քվանտային վիճակներն են: Այս վիճակներին բնորոշ է որոշակի էներգիա։ Վերջինս նշանակում է, որ ատոմի էլեկտրոնը գտնվում է ինչ-որ էներգիայի «ջրհորի» մեջ։ Նա կարող է հայտնվել մեկ այլ «փոսի» մեջ, եթե արտաքինից լրացուցիչ էներգիա ստանա ֆոտոնի տեսքով։

Ջրածնի կլանման և արտանետման սպեկտրում, որի բանաձևերը տրված են վերևում, դուք կարող եք տեսնել, որ փակագծերում առաջին անդամը 1/մ ձևի թիվ է^{2, որտեղ m=1, 2, 3..-ը ամբողջ թիվ է: Այն արտացոլում է անշարժ ուղեծրի թիվը, որով անցնում է էլեկտրոնը ավելի բարձր էներգիայի մակարդակից n:}

Ինչպե՞ս են նրանք ուսումնասիրում սպեկտրները տեսանելի տիրույթում:

Վերևում արդեն ասվել է, որ դրա համար օգտագործվում են ապակե պրիզմաներ։ Սա առաջին անգամ արեց Իսահակ Նյուտոնը 1666 թվականին, երբ տեսանելի լույսը տարրալուծեց ծիածանի գույների մի շարքի: Պատճառըորը նկատվում է այս էֆեկտը ալիքի երկարությունից բեկման ցուցիչի կախվածության մեջ է: Օրինակ, կապույտ լույսը (կարճ ալիքներ) ավելի ուժեղ է բեկվում, քան կարմիր լույսը (երկար ալիքներ):

Նշեք, որ ընդհանուր դեպքում, երբ էլեկտրամագնիսական ալիքների ճառագայթը շարժվում է ցանկացած նյութական միջավայրում, այս ճառագայթի բարձր հաճախականության բաղադրիչները միշտ ավելի ուժեղ են բեկվում և ցրվում, քան ցածր հաճախականները: Վառ օրինակը երկնքի կապույտ գույնն է:

Ոսպնյակի օպտիկա և տեսանելի սպեկտր

Ոսպնյակների հետ աշխատելիս հաճախ օգտագործվում է արևի լույս: Քանի որ այն շարունակական սպեկտր է, ոսպնյակի միջով անցնելիս նրա հաճախականությունները տարբեր կերպ են բեկվում։ Արդյունքում օպտիկական սարքը չի կարողանում հավաքել ամբողջ լույսը մեկ կետում, և հայտնվում են ծիածանագույն երանգներ։ Այս էֆեկտը հայտնի է որպես քրոմատիկ շեղում։

Ոսպնյակների օպտիկայի նշված խնդիրը մասամբ լուծվում է համապատասխան գործիքներում (մանրադիտակներ, աստղադիտակներ) օպտիկական ակնոցների համակցման միջոցով: