Испускание и поглощение света атомами. Происхождение линейчатых спектров

В этой статье приводятся основные понятия, необходимые для понимания того, как происходит испускание и поглощение света атомами. Также здесь описывается применение этих явлений.

Смартфон и физика

Человек, который родился позже 1990 года, свою жизнь без разнообразных электронных устройств не может представить. Смартфон не только заменяет телефон, но и дает возможность следить за курсами валют, совершать сделки, вызывать такси и даже переписываться с космонавтами на борту МКС через свои приложения. Соответственно, и воспринимаются все эти цифровые помощники как нечто само собой разумеющееся. Испускание и поглощение света атомами, благодаря которым и стала возможна эра уменьшения всевозможных устройств, таким читателям покажется лишь скучной темой на уроках физики. Но в этом разделе физики много интересного и увлекательного.

Теоретические предпосылки для открытия спектров

Есть поговорка: «Любопытство до добра не доведет». Но это выражение скорее касается того факта, что в чужие взаимоотношения лучше не вмешиваться. Если же проявить любознательность к окружающему миру, ничего плохого не будет. В конце девятнадцатого века людям стала понятна природа магнетизма (она хорошо описана в системе уравнений Максвелла). Следующим вопросом, который захотелось разрешить ученым, стало строение вещества. Надо сразу уточнить: для науки ценно не само испускание и поглощение света атомами. Линейчатые спектры – это следствие данного явления и основание для изучения строения веществ.

Строение атома

Ученые еще в Древней Греции предположили, что мрамор состоит из некоторых неделимых кусочков, «атомов». И до конца девятнадцатого века люди думали, что это самые маленькие частицы вещества. Но опыт Резерфорда по рассеиванию тяжелых частиц на золотой фольге показал: атом тоже имеет внутреннее строение. Тяжелое ядро находится в центре и заряжено положительно, легкие отрицательные электроны вращаются вокруг него.

Парадоксы атома в рамках теории Максвелла

Эти данные вызвали к жизни несколько парадоксов: согласно уравнениям Максвелла, любая движущаяся заряженная частица испускает электромагнитное поле, следовательно, теряет энергию. Почему же тогда электроны не падают на ядро, а продолжают вращаться? Также было непонятно, почему каждый атом поглощает или испускает фотоны только определенной длины волны. Теория Бора позволила устранить эти несоответствия путем ввода орбиталей. Согласно постулатам этой теории, электроны могут находиться вокруг ядра только на этих орбиталях. Переход между двумя соседними состояниями сопровождается либо испусканием, либо поглощением кванта с определенной энергией. Испускание и поглощение света атомами происходит именно благодаря этому.

Длина волны, частота, энергия

Для более полной картины необходимо рассказать немного о фотонах. Это элементарные частицы, у которых нет массы покоя. Они существуют, только пока движутся сквозь среду. Но массой все-таки обладают: ударяясь о поверхность, они передают ей импульс, что было бы невозможно без массы. Просто свою массу они превращают в энергию, делая вещество, о которое они ударяются и которым они поглощаются, немного теплее. Теория Бора не объясняет этот факт. Свойства фотона и особенности его поведения описывает квантовая физика. Итак, фотон – одновременно и волна, и частица с массой. Фотон, и как волна, обладает следующими характеристиками: длиной (λ), частотой (ν), энергией (Е). Чем больше длина волны, тем ниже частота, и тем ниже энергия.

Спектр атома

Атомный спектр формируется в несколько этапов.

1. Электрон в атоме переходит с орбитали 2 (с более высокой энергией) на орбиталь 1 (с менее низкой энергией).
2. Высвобождается некоторое количество энергии, которое формируется как квант света (hν).
3. Этот квант излучается в окружающее пространство.

Таким образом и получается линейчатый спектр атома. Почему он называется именно так, объясняет его форма: когда специальные устройства «ловят» исходящие фотоны света, на регистрирующем приборе фиксируется ряд линий. Чтобы разделить фотоны разной длины волны, используется явление дифракции: волны с различной частотой имеют разный показатель преломления, следовательно, одни отклоняются сильнее, чем другие.

Свойства веществ и спектры

Линейчатый спектр вещества уникален для каждого вида атомов. То есть водород при испускании даст один набор линий, а золото – другой. Этот факт и является основой для применения спектрометрии. Получив спектр чего угодно, можно понять, из чего состоит вещество, как в нем располагаются атомы относительно друг друга. Этот метод позволяет определить и различные свойства материалов, что часто использует химия и физика. Поглощение и испускание света атомами – один из самых распространенных инструментов для изучения окружающего мира.

Недостатки метода спектров испускания

До данного момента говорилось скорее о том, как атомы излучают. Но обычно все электроны находятся на своих орбиталях в состоянии равновесия, у них нет причин переходить в другие состояния. Чтобы вещество что-то излучило, оно сначала должно поглотить энергию. В этом недостаток метода, который эксплуатирует поглощение и испускание света атомом. Кратко скажем, что вещество сначала нужно нагреть или осветить, прежде чем мы получим спектр. Вопросов не возникнет, если ученый изучает звезды, они и так светятся благодаря собственным внутренним процессам. Но если требуется изучить кусочек руды или пищевой продукт, то для получения спектра его фактически надо сжечь. Этот способ подходит не всегда.

Спектры поглощения

Излучение и поглощение света атомами как метод «работает» в две стороны. Можно посветить на вещество широкополосным светом (то есть таким, в котором присутствуют фотоны разных длин волн), а потом посмотреть, волны каких длин поглотились. Но подходит этот способ не всегда: обязательно, чтобы вещество было прозрачным для нужной части электромагнитной шкалы.

Качественный и количественный анализ

Стало ясно: спектры уникальны для каждого вещества. Читатель мог заключить: такой анализ используется только для того, чтобы определить, из чего сделан материал. Однако возможности спектров гораздо шире. С помощью особых методик рассмотрения и распознавания ширины и интенсивности получившихся линий можно установить количество входящих в соединение атомов. Причем показатель этот можно выражать в разных единицах:

• в процентах (например, в этом сплаве содержится 1% алюминия);
• в молях (в этой жидкости растворено 3 моля поваренной соли);
• в граммах (в данном образце присутствуют 0,2 г урана и 0,4 грамма тория).

Иногда анализ бывает смешанным: качественным и количественным одновременно. Но если раньше физики заучивали наизусть положение линий и оценивали их оттенок с помощью особых таблиц, то сейчас все это делают программы.

Применение спектров

Мы уже достаточно подробно разобрали, что такое испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ применяется очень широко. Нет ни одной области человеческой деятельности, где бы ни использовалось рассматриваемое нами явление. Вот некоторые из них:

1. В самом начале статьи мы говорили о смартфонах. Кремниевые полупроводниковые элементы стали такими маленькими, в том числе и благодаря исследованиям кристаллов с помощью спектрального анализа.
2. При любых происшествиях именно уникальность электронной оболочки каждого атома позволяет определить, какую пулю выпустили первой, почему сломался каркас машины или упал башенный кран, а также каким ядом отравился человек, и сколько времени он пробыл в воде.
3. Медицина используется спектральный анализ в своих целях чаще всего по отношению к жидкостям тела, но бывает, что этот метод применяется и к тканям.
4. Далекие галактики, облака космического газа, планеты у чужих звезд – все это изучают с помощью света и его разложения в спектры. Ученые узнают состав этих объектов, их скорость и процессы, которые в них происходят благодаря тому, что могут зафиксировать и проанализировать фотоны, которые они испускают или поглощают.

Электромагнитная шкала

Больше всего мы уделяем внимания видимому свету. Но на электромагнитной шкале этот отрезок очень маленький. То, что человеческий глаз не фиксирует, гораздо шире семи цветов радуги. Испускаться и поглощаться могут не только видимые фотоны (λ=380-780 нанометров), но и другие кванты. Электромагнитная шкала включает:

1. Радиоволны (λ = 100 километров) передают информацию на дальние расстояния. Из-за очень большой длины волны их энергия очень низкая. Они очень легко поглощаются.
2. Терагерцовые волны (λ = 1-0,1 миллиметров) до недавнего времени были труднодоступны. Раньше их диапазон включали в радиоволны, но сейчас этот отрезок электромагнитной шкалы выделяется в отдельный класс.
3. Инфракрасные волны (λ = 0,74-2000 микрометров) переносят тепло. Костер, лампа, Солнце излучают их в избытке.

Видимый свет мы рассмотрели, поэтому более подробно о нем писать не будем.

Ультрафиолетовые волны (λ = 10-400 нанометров) смертельны для человека в избытке, но и их недостаток вызывает необратимые процессы. Наша центральная звезда дает очень много ультрафиолета, а атмосфера Земли задерживает большую его часть.

Рентгеновские и гамма-кванты (λ < 10 нанометров) имеют общий диапазон, но различаются по происхождению. Чтобы получить их, нужно разогнать электроны или атомы до очень высоких скоростей. Лаборатории людей способны на это, но в природе такие энергии встречаются только внутри звезд или при столкновениях массивных объектов. Примером последнего процесса могут служить взрывы сверхновых, поглощение звезды черной дырой, встреча двух галактик или галактики и массивного облака газа.

Электромагнитные волны всех диапазонов, а именно их способность испускаться и поглощаться атомами, применяются в человеческой деятельности. Вне зависимости от того, что читатель избрал (или только собирается избрать) в качестве своей жизненной стези, он точно столкнется с результатами спектральных исследований. Продавец пользуется современным платежным терминалом только потому, что когда-то ученый исследовал свойства веществ и создал микрочип. Аграрий удобряет поля и собирает сейчас большие урожаи только потому, что когда-то геолог обнаружил фосфор в куске руды. Девушка носит яркие наряды только благодаря изобретению стойких химических красителей.

Но если читатель желает связать свою жизнь с миром науки, то придется изучить гораздо больше, чем основные понятия процесса излучения и поглощения квантов света в атомах.