Спектры в лаборатории

1. АТОМЫ И ФОТОНЫ
2. ПОДПИСИ ЭЛЕМЕНТОВ
3. ВИДЫ СПЕКТРОВ
4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С СПЕКТРАМИ
5. ВЕБ-РЕСУРСЫ
6. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ

Каждый химический элемент имеет уникальную «подпись», которая может быть выявлена ​​путем анализа света, который он испускает. Это сделано, распространяя свет в спектр - в основном, радугу.

Может показаться удивительным, что мы можем узнать о составе далеких звезд, изучая свет, который они излучают. На самом деле, мы можем многое узнать не только о существующих химических элементах, но и о физических условиях. Ключ состоит в том, чтобы распространять свет по цвету, создавая спектр, подобный показанному на рис. 1. В этой лаборатории рассматриваются некоторые основные идеи, используемые для анализа спектров.

АТОМЫ И ФОТОНЫ

Природа материи обсуждалась тысячи лет. Предположим, у вас есть кусок золота, например, и вы начинаете разрезать его на все более мелкие кусочки. Вы всегда можете порезать любой кусок, даже очень маленький, на два небольших кусочка золота? Или есть какой-то минимальный размер, который может иметь кусок золота? Мы знаем ответ - наименьшая возможная часть содержит только один атом золота. Атомы являются строительными блоками материи. Во вселенной насчитывается около ста различных видов атомов - они известны как химические элементы .

Природа света ставит очень похожий вопрос: состоит ли свет из волн или частиц? Если свет - это волны, то всегда можно уменьшить количество света, сделав волны слабее, а если свет - это частицы, у вас есть минимальное количество света - одна «частица» света. В 1905 году Эйнштейн нашел ответ: свет - это оба ! В некоторых ситуациях он ведет себя как волны, а в других - как частицы. Это может показаться странным и мистическим, но оно очень хорошо описывает природу света.

Волна света имеет длину волны , определяемую как расстояние от одного гребня волны до следующего, и записывается с использованием символа , Длина волны видимого света довольно мала: между 400 нм и 650 нм, где 1 нм = 10-9 м - это «нанометр» - одна миллиардная часть метра. На рис. 1 шкала снизу показывает длины волн в нанометрах; Как вы можете видеть, красный свет имеет длинные волны, а синий - короткие.

Частица света, известная как фотон , имеет энергию E. Энергия одного фотона видимого света крошечная, едва достаточная, чтобы нарушить один атом; мы используем единицы «электрон-вольт», сокращенно обозначенные как eV, для измерения энергии фотонов. На рис. 1 шкала сверху показывает энергии в электрон-вольтах; фотоны красного света имеют низкие энергии, в то время как фотоны синего света имеют высокие энергии.

Соотношение между энергией Е и длиной волны является одним из самых основных уравнений квантовой физики:

Здесь c - скорость света, а h - постоянная Планка. И c, и h - постоянные природы; они никогда не меняются. С нашей точки зрения, значение этого уравнения заключается в том, что энергия Е и длина волны обратно пропорциональны друг другу, и отношения между ними одинаковы в лаборатории на Земле и в самых отдаленных звездах и галактиках.

ПОДПИСИ ЭЛЕМЕНТОВ

По мере развития квантовой физики физики начали понимать еще одну загадку. Свет, излучаемый атомами в горячем разбавленном газе, не образует спектр всех цветов, как на рис. 1; вместо этого присутствуют только некоторые цвета, и каждый элемент создает уникальный рисунок, как показано на рис. 2. Почему горячие атомы ведут себя таким образом? Ответ включает в себя две ключевые идеи: во-первых, каждый атом содержит один или несколько электронов, вращающихся вокруг центрального ядра ; во-вторых, в атомах любого данного элемента разрешены только определенные орбиты, и при переходе электрона с одной орбиты на другую задействовано очень определенное количество энергии.

Рис. 2. При нагревании в электроразрядной трубке каждый элемент создает уникальный рисунок спектральных «линий».

Рис. 3 иллюстрирует это для водорода, который имеет только один электрон. Разрешенные орбиты электрона в атоме водорода могут быть пронумерованы с использованием символа n , где n = 1 для орбиты, ближайшей к ядру, n = 2 для следующей, и так далее. Для орбиты n количество энергии, необходимое для полного отделения электрона от ядра, равно

Эта величина En является энергетическим уровнем орбиты n . Например, электрон на орбите n = 2 требует, чтобы энергия E 2 = 3,4 эВ была отделена от ядра, тогда как электрон на орбите n = 3 требует только E 3 = 1,51 эВ; таким образом, орбита n = 3 менее тесно связана с ядром, чем орбита n = 2. Когда электрон спрыгивает с орбиты n = 3 на орбиту n = 2, он испускает энергию E = E 2 - E 3 = 1,89 эВ. Это в точности энергия фотонов, составляющих красную линию водорода на рис. 2. Аналогично, электроны, прыгающие с орбиты n = 4 на орбиту n = 2, образуют сине-зеленую линию, а электроны прыгают с орбиты n = 5. на орбиту n = 2 производят темно-синюю линию. Когда электрон переходит с орбиты с большим номером на орбиту с низким номером, атом испускает фотон.

Что происходит, когда электрон в атоме водорода поднимается на более высокую орбиту? Это требует энергии, которая должна прийти откуда-то. Один из способов снабжения энергией - это фотон, но у фотона должно быть точно необходимое количество энергии - не больше и не меньше. Например, электрон на орбите n = 2 может перейти на орбиту n = 3, если он поглощает фотон с энергией E = E 2 - E 3 = 1,89 эВ.

Подобные процессы испускания и поглощения происходят в атомах других элементов. Для атомов с более чем одним электроном физика становится намного более сложной, но основная идея о том, что электроны имеют только определенные разрешенные орбиты, остается в силе. Каждый элемент имеет различный набор разрешенных орбит, поэтому каждый элемент излучает или поглощает фотоны с разными энергиями - и, следовательно, с разными длинами волн. Это именно то, что мы видим на рис. 2!

Молекулы также производят спектральные линии, но их спектры намного сложнее, чем спектры отдельных атомов, и обычно показывают широкие полосы вместо узких линий, как на рис. 4.

ВИДЫ СПЕКТРОВ

Исследование различных видов света с помощью спектроскопа позволяет выявить широкий спектр спектров. Появление спектра говорит нам кое-что о физических условиях, которые производят свет.

Например, непрерывный спектр , подобный спектру в верхней части рис. 5, представляет собой бесцветную радугу цвета. Этот вид спектра является отличительной чертой излучения «черного тела» (так называемого, потому что черный объект, нагретый до свечения, излучает этот вид света). Горячий твердый, жидкий или очень плотный газ создает непрерывный спектр; хотя всегда присутствует широкий диапазон длин волн, общий цвет света зависит от температуры. Например, железный слиток, нагретый в огне, светится тускло-красным; если его нагреть больше, он светится оранжевым, а если он нагревается намного выше точки плавления, он сияет ярким сине-белым светом.

Напротив, спектр излучения , подобный спектру в середине рисунка 5, состоит из ярких линий или полос на темном фоне. Спектры эмиссии создаются, когда атомы разбавленного газа «возбуждаются» - фактически нагреваются - электрическим током, ультрафиолетовым излучением или каким-либо другим источником энергии. Возбужденные атомы имеют электроны на высоких орбитах, и они испускают фотоны с определенной длиной волны, когда они спрыгивают обратно на более низкие орбиты (как объяснено выше). Неоновые знаки дают спектры излучения; также как и такие объекты, как туманность Лагуна (M8) и кольцевая туманность (M57).

Рис. 5. Основные типы спектров.

Наконец, спектр поглощения , такой как спектр солнечного света, показанный внизу на фиг. 5, состоит из темных линий или полос поверх непрерывного спектра. Спектры поглощения создаются, когда свет от горячего объекта проходит через более холодный, разбавленный газ. Когда фотон с точно правильной длиной волны сталкивается с атомом холодного газа, он поглощается, и его энергия используется для выброса электрона на более высокую орбиту; если присутствует достаточное количество атомов газа, все фотоны с этой длиной волны поглощаются, в то время как фотоны с другой длиной волны проходят. Атмосфера звезд дает спектры поглощения.

Элемент производит яркие и темные линии с одинаковыми длинами волн. Например, водород имеет три выступающие линии с длинами волн 434 нм, 486 нм и 656 нм; они кажутся темными, если водород поглощает свет, и яркими, если он излучает свет, но в любом случае видны те же три длины волны.

В некоторых ситуациях мы находим спектры, которые смешивают различные виды признаков: например, непрерывный спектр с наложенными яркими линиями излучения. Некоторые звезды с возрастом дают непрерывные спектры с темными линиями поглощения и яркими линиями излучения; обычно это признак того, что звезда выбрасывает газ в звездный ветер.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С СПЕКТРАМИ

В лаборатории мы объясним, как использовать спектроскоп и как его настроить, чтобы вы могли точно измерять длины волн. После этого у вас будет возможность просматривать различные типы спектров.

Мы установим несколько разных разрядных трубок, в которых различные элементы возбуждаются электрически. Вам будет предложено идентифицировать эти элементы, глядя на свет, который они излучают с помощью вашего спектроскопа. Рассматриваемые элементы будут среди тех, которые показаны на рис. 2.

Мы также настроим источник света, который производит яркую спектральную линию, и попросим вас измерить длину волны этой линии. После того, как вы это сделаете, вы можете определить вовлеченный элемент, посмотрев на таблицу, напечатанную на вашем спектрометре.

Наконец, вы должны взять спектроскоп дома на неделю, чтобы посмотреть на различные источники света и нарисовать их спектры. В каждом случае классифицируйте тип спектра (непрерывный, эмиссионный, абсорбционный или смешанный) и измерьте длины волн. из любых ярких или темных линий, которые вы можете увидеть. Вы должны посмотреть на:

1. флуоресцентный свет;
2. солнечный свет отражается от облаков в полдень ( не направляйте спектроскоп прямо на Солнце!);
3. солнечный свет отражается от облаков на закате (сравните с солнечным светом в полдень);
4. неоновая вывеска (подсказка: ищите эмиссионные линии и попробуйте другую, если вы их не видите);
5. уличный фонарь;
6. один (или несколько) источников света по вашему выбору.

ВЕБ-РЕСУРСЫ

• Бланки для спектров

  Используйте эту таблицу, чтобы набросать спектры различных источников света. Если вы видите линии или другие объекты, разместите их на соответствующей длине волны, используя шкалу, и перечислите длины волн, которые вы измеряете.

ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ

• Каков уровень энергии E 6 для электрона на орбите n = 6 и сколько энергии выделяется, если этот электрон переходит на орбиту n = 2?
• Какой свет излучает атом водорода, когда электрон прыгает с орбиты с n & gt 1 на орбиту n = 1? Этот свет виден или невидим?

Похожие