VI. Квантовая физика
Спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.
Если на пути пучка солнечного света, проникающего через узкую длинную прямоугольную щель, поместить призму, то на экране мы увидим не изображение щели, а растянутую цветную полоску с постепенным переходом цветов от красного к фиолетовому — спектр. Это явление наблюдал еще Ньютон. Это означает, что в состав солнечного света входят электромагнитные волны различных частот. Такой спектр называется сплошным.
Если пропустить через призму свет, который излучается нагретым газом, то спектр будет иметь вид отдельных цветных линий на черном фоне. Такой спектр называется линейчатым спектром испускания. Это означает, что нагретый газ излучает электромагнитные волны с определенным набором частот. При этом каждый химический элемент испускает характерный спектр, отличный от спектров других элементов.
Если свет проходит через газ, то появляются темные линии — линейчатый спектр поглощения.
Спектральный анализ — метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на получении и исследовании его спектров.
Закономерности излучения атомов
Излучение света происходит при переходе электрона в атоме с высшего энергетического уровня Ek на один из низших энергетических уровней En(k > n). Атом в этом случае излучает фотон с энергией
Поглощение света — процесс обратный. Атом поглощает фотон, переходит из низшего состояния k в более высокое n (n > k). Атом в этом случае поглощает фотон с энергией
Энергия электрона
Энергия электрона на n-й орбите
Невозбужденный атом водорода находится на первой орбите, обладает энергией -13,55 эВ. Для ионизации требуется энергия, равная 13,55 эВ.
Энергия излучаемого фотона при переходе электрона с n-oй более дальней от ядра орбиты, на k-ую более близкую орбиту
Физика. 11 класс
§ 32. Излучение и поглощение света атомом. Спектры испускания и поглощения
Модель атома Бора позволяет описать процессы излучения и поглощения света атомом. Как это происходит? Как фотон «появляется на свет»? Что меняется в атоме после поглощения фотона?
Вследствие того что энергия атома квантована, она характеризуется определенным набором энергетических уровней En. Испускание излучения происходит при самопроизвольном переходе атома с высших энергетических уровней Ek на один из низших энергетических уровней En (Ek > En) Атом излучает фотон (квант электромагнитной энергии) с энергией .
Частота излучения при этом:
Подчеркнем, что наряду с прямым переходом атом может переходить из возбужденного состояния в основное поэтапно, через промежуточные состояния. При этом излучаются соответствующие промежуточным переходам кванты света. Набор таких частот образует линейчатый спектр излучения атома.
Поглощение света — процесс, обратный испусканию. Атом, поглощая фотон h ν kn = E n — E k переходит из низшего k состояния в более высокое n (Ek < En) состояние. Частота поглощенного фотона:
Подобные переходы дают линейчатый спектр поглощения атома.
Подчеркнем, что частоты переходов с испусканием и поглощением, происходящие между одними и теми же энергетическими уровнями, совпадают.
Таким образом, спектры атомов позволяют определять изменения энергии атома при испускании или поглощении ими излучения.
Спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Они бывают трех типов: линейчатые, полосатые и сплошные.
Линейчатые спектры имеют все вещества в газообразном атомарном состоянии. Обычно (например, при нормальных условиях) атомы газа находятся в основном состоянии и не излучают света. Если такой газ нагревается, некоторые атомы переходят на более высокие энергетические уровни. Именно эти атомы при переходе в более низкие энергетические состояния и испускают фотоны. В результате атомарные спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, разделенных темными промежутками (рис. 199).
Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент обладает своим строго индивидуальным спектром. Такие спектры отличаются друг от друга цветом отдельных светящихся линий, их положением и числом.
Полосатые спектры имеют газы, состоящие из молекул. Для объяснения молекулярных спектров необходимо принимать во внимание большую сложность структуры молекул. В молекулах, кроме движения электронов, происходят колебательное движение ядер около положения равновесия и вращательное движение молекулы как целого. Согласно квантовой механике энергия всех видов движения может принимать только определенные дискретные значения (квантуется). Полная энергия молекулы определяется тремя видами ее внутренних движений. Электронному, колебательному и вращательному движениям молекулы соответствуют три типа уровней энергии: электронные, колебательные и вращательные. При соединении атомов в молекулы каждый атомный уровень превращается в ряд близких уровней, соответствующих колебательным и вращательным движениям. Так как расстояние между этими уровнями очень мало, особенно в случае вращательных уровней (характерное расстояние между уровнями составляет эВ), то в результате переходов между этими уровнями возникает множество очень близких спектральных линий.
В таких спектрах в отличие от атомных спектров совокупность тесно расположенных спектральных линий образуют полосы, разделенные темными промежутками (рис. 200). Спектры молекул можно использовать для идентификации молекул и их структуры.
Непрерывные (сплошные) спектры имеют нагретые тела, находящиеся в твердом и жидком состоянии, а также газы при высоком давлении и плазма. Вследствие интенсивного взаимодействия между молекулами индивидуальные черты, присущие отдельным частицам, в таких спектрах неразличимы. В них представлены все длины волн, нет темных промежутков и на экране видна сплошная разноцветная полоса (рис. 201).
Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения (рис. 202).
Так, вещество в газообразном состоянии поглощает наиболее сильно свет тех длин волн, которые оно испускает в нагретом состоянии.
Это означает, что темные линии в спектре поглощения будут находиться как раз в тех местах, где находятся светящиеся линии в спектре испускания данного химического элемента. Эти строго установленные закономерности в линейчатых спектрах дают возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.
Для определения качественного и количественного состава вещества применяется метод, основанный на получении и исследовании его спектров. Этот метод называется спектральным анализом. Это самый быстрый и простой способ определения состава различных химических соединений.
Спектр поглощения атома водорода при нормальных условиях содержит только одну серию линий, частоты которых находятся в ультрафиолетовой области.
Наиболее изученным спектром поглощения является спектр Солнца. Его сплошной спектр содержит значительное количество черных линий. Эти линии являются линиями поглощения, возникающими при прохождении света через газовую оболочку Солнца и атмосферу Земли. Они получили название фраунгоферовых линий, так как Фраунгофер впервые наблюдал спектр Солнца и установил, что закономерность их расположения не случайна и линии поглощения (темные линии) появляются всегда только на определенных местах.
Основатели спектрального анализа немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф, исследуя спектры паров соединений щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах. У рубидия — красная линия, у цезия — синяя.
Спектральный анализ базируется на двух основных положениях:
1) каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;
2) интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.
К достоинствам спектрального анализа исследования можно отнести:
— высокую чувствительность (обнаруживает элементы с относительной концентрацией , т. е. один атом вещества на сто миллионов других атомов);
— малое время измерения;
— малые количества исследуемого вещества (достаточно г и даже до г) вплоть до возможности детектирования отдельных молекул;
— дистанционность измерений (можно проводить исследования, например, состава атмосферы далеких планет).
По спектрам определяют, из каких химических элементов состоит вещество и в каких количествах.
Белорусский физик академик Михаил Александрович Ельяшевич разработал основы теории колебаний многоатомных молекул и их колебательных спектров. Он внес значительный вклад в теорию спектров редкоземельных элементов и низкотемпературной плазмы.
"Излучение и поглощение света атомами. Лазер". 11-й класс
Сегодня мы снова работаем с вами в режиме виртуальной лаборатории, вам предстоит исследовать механизм излучения энергии атомами на примере атома водорода, и с помощью виртуального эксперимента выяснить, какие фотоны излучает атом водорода.
Кроме этого, мы с вами познакомиться с практическим применением знаний об излучении и поглощении атомами энергии.
2. Практическая работа – выполнение виртуального эксперимента
Прежде чем непосредственно приступить к практической работе, вспомним:
— Что представляет собой атом согласно планетарной модели, предложенной Резерфордом?
— В чем трудности теории атома Резерфорда?
— Какие пути решения этой проблемы были предложены Бором?
Весьма важным результатом теории Бора было объяснение спектра водорода. При выполнении компьютерного эксперимента вы выясните, какие фотоны излучает атом водорода, сможете наблюдать энергетические переходы.
Интерактивная модель, с которой вы будите работать – иллюстрация постулатов Бора в применении к круговым орбитам атома водорода.
Цветными полосками изображены спектральные линии, соответствующие переходам из одного стационарного состояния в другое. Справа — схема энергетических уровней, на которой будут отражаться переходы.
Ваша задача: добившись перехода фотона с вышестоящего уровня на нижестоящий, согласно таблице, определить длину волны излучаемого фотона, рассчитать энергию фотона, выяснить зависимость между энергией и длиной волны излученного фотона и выразить эту зависимость графически.
Работать вы будите на рабочих листах, в которых поэтапно описан ход эксперимента. (Приложение 1)
Обсуждение результатов (вывод): Происхождение линейчатых спектров атома водорода, объясняется тем, что при переходе из одного энергетического состояния в другое атом излучает (или поглощает) фотоны определенной длины волн,. Спектр можно представить в виде серий соответствующих тому или иному виду излучения.
3. “Погружение” в незнание
С помощью своей теории Бор смог разработать количественную теорию спектра только для атома водорода, относительно других атомов теория Бора позволяла делать лишь качественные заключения. Тем не менее, это был первый шаг в развитии новой квантовой теории.
— Какое же практическое значение имеют знания об излучении и поглощении атомами энергии? Влияют ли эти знания на нашу жизнь? (Попробуем это выяснить)
После поглощения энергии атом не может сколь угодно долго находится в возбужденном состоянии. Возвращаясь в основное состояние атом излучает энергию, причем такое излучение является спонтанным – каждый атом (как вы отметили в выводе) излучает энергию независимо от других атомов вещества (то один атом излучает свет, то другой атом излучает свет). В результате излучения отличаются и по фазе и поляризацией. (демонстрация модели “Лазер” — спонтанное излучение) Такие волны мы называем некогерентными. Именно этим можно объяснить, что обычные источники света не являются когерентными, т.к. атомы излучают энергию не согласованно.
Вот если бы атомы, переходя из возбужденного состояния в основное, излучали энергию согласованно, то это дало бы возможность получить мощные источники монохромного когерентного излучения.
— Как добиться согласованного излучения атомами? Как добиться их одновременного перехода в основное состояние? (Высказывают предположения)
4. Изучение нового материала
В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением фотона может происходить под влиянием внешнего излучения с частотой, равной собственной частоте перехода. Такое излучение называется вынужденным или индуцированным.
В итоге получается, что возникшая индуцированная волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. падающая и излученная волны одинаковую пространственную ориентацию, т.о. являются когерентными. Волна проходящая через среду не ослабевает, а напротив усиливается. (Демонстрация модели “Лазер” — вынужденное излучение)
Идея индуцированного излучения атомами лежит в основе действия лазера.
Amplification by
(Запись на доске)
- Когерентность, монохроматичность. (благодаря тому, что атомы излучают свет согласованно).
- Малый угол расхождения (около 10 -5 рад) (на Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км).
- Большая мощность (у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10 17 Вт/см 2 . Для сравнения: мощность излучения Солнца равна только 7·10 3 Вт/см 2 )
Принцип действия лазера.
Для того чтобы лазер работал необходимо чтобы больше половины атомов находилось в возбужденном состоянии. Такое состояние среды называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а сама среда называется активной. (В нормальном состоянии таких атомов очень мало время жизни составляет 10 -8 с). Придумана была следующая система “накачки”, которая позволяет создать ситуацию, когда атомов в возбужденном состоянии больше, чем в основном.
Некоторые атомы имеют возбужденные состояния в которых они могут находиться довольно длительное время (10 -3 с), такие состояния называются метастабильными. Вещество, в котором имеются метастабильные уровни, может использоваться для усиления света.
Рис. 2. Трехуровневая модель
Итак атомы вещества под действие внешнего излучения (теплового, э/м и др) переводится из состояния с энергий Е1 в возбужденное состояние с энергией Е3 с коротким временем жизни, затем совершается самопроизвольный переход этих атомов на метастабильный уровень с энергией Е2, в результате чего можно создать инверсную заселенность этого метастабильного уровня. При прохождении в дальнейшем в веществе фотона с энергией равной разности Е2-Е1, происходит усиление излучения за счет индуцированного излучения.
Подобную идею “накачки предложил советский ученый Валентин Александрович Фабрикант в 1940 г., однако только в 954 г. Николай Геннадьевич Басов и Александр Михайлович Прохоров и независимо от них Чарлз Таунс создали первые лазеры, которые назывались МАЗЕРы, т.к. они излучали когерентное излучение радиоволн, что соответствует инфракрасной части диапазона. Только в 1969 г. была создана система, которая напоминает нам нынешние лазеры. Такой лазер применяется до сих пор, это лазер на рубине. Он имеет трехуровневую структуру за счет примесных атомов хрома.
5. Объяснение домашнего задания
В настоящее время кроме лазеров на кристаллах используются газовые, полупроводниковые лазеры, лазере на жидкостях и др., которые отличаются друг от друга рядом свойств и областью применения.
Ваше домашнее задание, заключается в следующем, пользуясь дополнительной литературой, ресурсами сети internet и др. источниками заполнить таблицу “Виды лазеров”
| Вид лазера | Источник “накачки” | Длина волны (диапазон) излучения | Преимущества и недостатки | Применение |
| Газовые лазеры | ||||
| Лазеры на красителях | ||||
| Лазеры на парах металлов | ||||
| Твердотельные лазеры | ||||
| Полупроводниковые лазеры | ||||
| Другие лазеры |
6. Подведение итогов урока. Рефлексия.
Сегодня, придя из школы домой, вы увидите своих родителей и, конечно же, обсудите с ними свои успехи и неудачи. Ваши родители тоже когда-то были учениками, сидели за школьной партой и изучали физику. Что интересного вы сможете рассказать им по теме сегодняшнего урока физики… Аргументируйте свой ответ. (Приложение 3)
СВЕТ И АТОМЫ ПОЧЕМУ АТОМЫ СВЕТЯТСЯ?
Вет рождается в веществе. Таково происхождение и видимого света, и инфракрасного, и ультрафиолетового, и рентгеновских излучений, и гамма-излучений. Естественно, что, изучая свойства света, можно в конечном счёте узнать, как
Атомы излучают свет, и таким путём проникнуть в тайну
Строения атомов. Недаром Д. И. Менделеев говорил, что свет «обещает многое выяснить в области атомов и частиц».
В конце XIX столетия физикам казалось, что они знают, как образуется свет в атомах: в результате колебания электрических зарядов. Ведь именно так образуются радиоволны. Чтобы получить радиоволны, мы создаём электрические колебания, например при искровом разряде. А ведь атомы тоже
Излучают электромагнитные волны, только частота (длина волны) этих волн не такая, как у радиоволн. Можно предположить, что и в атомах есть электрические заряды и, когда заряды движутся, атомы испускают свет.
Физики, конечно, стремились убедиться в этом опытным путём. Идея опыта была очень проста. Надо попытаться изменить характер движения зарядов в атоме, а это должно сказаться на частоте излучаемого света.
Изменить характер движения заряда в атоме — дело вполне возможное. Для этого можно, например, поместить излучающее вещество между полюсами очень сильного магнита. Магнит подействует на заряды, движущиеся внутри атомов, и изменит характер их движения. Тогда надо наблюдать, чтб делается с линиями спектра, который испускается данным веществом. Это был трудный опыт. Он дал определённый результат лишь тогда, когда физики научились соз
Рис. 22. Расщепление одной из линий цинка на три под влиянием сильного магнитного поля.
Давать сильные магнитные поля и стали применять диффрак — дионные решётки, широко разбрасывающие спектр лучей. Опыт показал, что магнитное поле действительно изменяет излучение: каждая линия в спектре под действием сильного магнитного поля расщепляется при одних условиях на две, при других — на три
(рис. 22), Тем самым было доказано, что свет рождается в результате движения электрических зарядов в атомах.
Это было в 1896 году. Уже тогда
Расчёты показали, что заряды, движущиеся в атоме,— это электроны, мельчайшие частицы вещества, обладающие от
Рицательным электрическим зарядом[1]).
Итак, опыты по расщеплению спек
Тральных линий в магнитном поле привели к надёжному выводу: источником излучения является движение электронов в атомах. Но многое оставалось ещё неясным. Неясно было, почему каждый атом даёт свой спектр. Чтобы решить этот вопрос, необходимо
Было проникнуть в недра атомов, узнать, как атомы построены. Это удалось сделать только в начале нашего столетия.
Опыты показали, что внутри каждого атома находится очень маленькое положительно заряженное ядро. В нём сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра обращаются электроны. При сильном нагревании, при освещении и в некоторых других случаях атомы могут терять один или
Несколько электронов. Такие атомы называются ионами. Они имеют положительный заряд. Однако в обычном состоянии атомы, как мы знаем, не заряжены, а это значит, что положительный заряд их ядра равен сумме зарядов электронов [2]).
Исследуя атомы различных элементов, физики установили ещё одно важное их свойство: чем тяжелее атом, тем больше заряд его ядра, тем больше у атома и электронов. Заряд ядра у водородного атома равен единице. И вокруг этого ядра обращается один электрон.
Заряд ядра и число электронов у гелия равны 2, у лития 3 и т. д.
Заряд ядра и число электронов у атома каждого элемента в точности совпадают с тем порядковым местом, которое этот элемент занимает в таблице Менделеева.