Spettri di linea - questo è forse uno degli argomenti importanti che vengono considerati nel corso di fisica di terza media nella sezione di ottica. È importante perché ci permette di comprendere la struttura atomica e di utilizzare questa conoscenza per studiare il nostro Universo. Consideriamo questo problema nell'articolo.
Il concetto di spettri elettromagnetici
Prima di tutto, spieghiamo di cosa tratterà l'articolo. Tutti sanno che la luce solare che vediamo è costituita da onde elettromagnetiche. Ogni onda è caratterizzata da due parametri importanti: la sua lunghezza e frequenza (la sua terza proprietà, non meno importante, è l'ampiezza, che riflette l'intensità della radiazione).
Nel caso della radiazione elettromagnetica, entrambi i parametri sono correlati nella seguente equazione: λν=c, dove le lettere greche λ (lambda) e ν (nu) indicano solitamente rispettivamente la lunghezza d'onda e la sua frequenza, e c è la velocità della luce. Poiché quest'ultimo è un valore costante per il vuoto, la lunghezza e la frequenza delle onde elettromagnetiche sono inversamente proporzionali tra loro.
Lo spettro elettromagnetico in fisica è accettatonominare l'insieme di diverse lunghezze d'onda (frequenze) emesse dalla corrispondente sorgente di radiazione. Se la sostanza assorbe, ma non emette onde, allora si parla di uno spettro di adsorbimento o assorbimento.
Cosa sono gli spettri elettromagnetici?
In generale, ci sono due criteri per la loro classificazione:
- Per frequenza di radiazione.
- Secondo il metodo di distribuzione della frequenza.
Non ci soffermeremo sulla considerazione del 1° tipo di classificazione in questo articolo. Qui diremo solo brevemente che ci sono onde elettromagnetiche ad alta frequenza, che sono chiamate radiazioni gamma (>1020 Hz) e raggi X (1018 -10 19 Hz). Lo spettro ultravioletto è già a frequenze più basse (1015-1017 Hz). Lo spettro visibile o ottico si trova nella gamma di frequenza 1014 Hz, che corrisponde a un insieme di lunghezze da 400 µm a 700 µm (alcune persone sono in grado di vedere un po' "più ampio": da 380 µm a 780 µm). Le frequenze più basse corrispondono allo spettro infrarosso o termico, nonché alle onde radio, che possono essere lunghe già diversi chilometri.
Più avanti nell'articolo, daremo un'occhiata più da vicino al 2° tipo di classificazione, che è annotato nell'elenco sopra.
Spettri lineari e di emissione continua
Assolutamente qualsiasi sostanza, se riscaldata, emetterà onde elettromagnetiche. Quali frequenze e lunghezze d'onda saranno? La risposta a questa domanda dipende dallo stato di aggregazione della sostanza in studio.
Liquido e solido emettono, di regola, un insieme continuo di frequenze, cioè la differenza tra loro è così piccola che possiamo parlare di uno spettro continuo di radiazione. A sua volta, se un gas atomico con basse pressioni viene riscaldato, inizierà a "brillare", emettendo lunghezze d'onda rigorosamente definite. Se questi ultimi sono sviluppati su pellicola fotografica, allora saranno delle linee strette, ognuna delle quali è responsabile di una frequenza specifica (lunghezza d'onda). Pertanto, questo tipo di radiazione è stato chiamato spettro di emissione di linea.
Tra linea e continuo c'è un tipo di spettro intermedio, che di solito emette un gas molecolare piuttosto che atomico. Questo tipo è costituito da bande isolate, ognuna delle quali, se esaminata in dettaglio, è costituita da linee sottili separate.
Spettro di assorbimento della linea
Tutto ciò che è stato detto nel paragrafo precedente si riferiva all'irraggiamento delle onde da parte della materia. Ma ha anche capacità di assorbimento. Eseguiamo il solito esperimento: prendiamo un gas atomico scaricato a freddo (ad esempio argon o neon) e lasciamo che la luce bianca di una lampada a incandescenza lo attraversi. Successivamente, analizziamo il flusso luminoso che passa attraverso il gas. Si scopre che se questo flusso viene scomposto in frequenze individuali (questo può essere fatto usando un prisma), nello spettro continuo osservato compaiono bande nere, che indicano che queste frequenze sono state assorbite dal gas. In questo caso si parla di spettro di assorbimento di linea.
A metà del XIX secolo. Scienziato tedesco di nome GustavKirchhoff ha scoperto una proprietà molto interessante: ha notato che i punti in cui compaiono le righe nere sullo spettro continuo corrispondono esattamente alle frequenze della radiazione di una data sostanza. Attualmente, questa caratteristica è chiamata legge di Kirchhoff.
Serie Balmer, Liman e Pashen
Dalla fine del 19° secolo, i fisici di tutto il mondo hanno cercato di capire quali sono gli spettri lineari della radiazione. Si è scoperto che ogni atomo di un dato elemento chimico in qualsiasi condizione mostra la stessa emissività, cioè emette onde elettromagnetiche di sole frequenze specifiche.
I primi studi dettagliati su questo problema sono stati effettuati dal fisico svizzero Balmer. Nei suoi esperimenti, ha usato gas idrogeno riscaldato ad alte temperature. Poiché l'atomo di idrogeno è il più semplice tra tutti gli elementi chimici conosciuti, è più facile studiare le caratteristiche dello spettro di radiazione su di esso. Balmer ha ottenuto un risultato sorprendente, che ha scritto come la seguente formula:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Qui λ è la lunghezza dell'onda emessa, RH - un valore costante, che per l'idrogeno è uguale a 1, 097107 m -1, n è un numero intero che inizia da 3, ovvero 3, 4, 5 ecc.
Tutte le lunghezze λ, ottenute da questa formula, si trovano all'interno dello spettro ottico visibile all'uomo. Questa serie di valori λ per l'idrogeno è chiamata spettroBalsamo.
In seguito, utilizzando l'attrezzatura appropriata, lo scienziato americano Theodore Liman scoprì lo spettro dell'idrogeno ultravioletto, che descrisse con una formula simile a quella di Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Infine, un altro fisico tedesco, Friedrich Paschen, ottenne una formula per l'emissione di idrogeno nella regione dell'infrarosso:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Tuttavia, solo lo sviluppo della meccanica quantistica negli anni '20 potrebbe spiegare queste formule.
Rutherford, Bohr e il modello atomico
Nel primo decennio del 20° secolo, Ernest Rutherford (fisico britannico di origine neozelandese) condusse molti esperimenti per studiare la radioattività di vari elementi chimici. Grazie a questi studi è nato il primo modello dell'atomo. Rutherford credeva che questo "granulo" di materia fosse costituito da un nucleo elettricamente positivo ed elettroni negativi che ruotavano nelle sue orbite. Le forze di Coulomb spiegano perché l'atomo "non si disgrega" e le forze centrifughe che agiscono sugli elettroni sono la ragione per cui questi ultimi non cadono nel nucleo.
Tutto sembra essere logico in questo modello, tranne uno ma. Il fatto è che quando si muove lungo una traiettoria curvilinea, qualsiasi particella carica deve irradiare onde elettromagnetiche. Ma nel caso di un atomo stabile, questo effetto non si osserva. Quindi si scopre che il modello stesso è sbagliato?
Le sono state apportate le modifiche necessarieun altro fisico è il danese Niels Bohr. Questi emendamenti sono ora conosciuti come i suoi postulati. Bohr ha introdotto due proposte nel modello di Rutherford:
- Gli elettroni si muovono in orbite stazionarie in un atomo, mentre non emettono o assorbono fotoni;
- il processo di radiazione (assorbimento) si verifica solo quando un elettrone si sposta da un'orbita all' altra.
Quali sono le orbite di Bohr stazionarie, considereremo nel prossimo paragrafo.
Quantizzazione dei livelli energetici
Le orbite stazionarie di un elettrone in un atomo, di cui Bohr ha parlato per la prima volta, sono stati quantistici stabili di questa onda particellare. Questi stati sono caratterizzati da una certa energia. Quest'ultimo significa che l'elettrone nell'atomo si trova in un "pozzo" di energia. Può entrare in un' altra "fossa" se riceve energia aggiuntiva dall'esterno sotto forma di fotone.
Nella riga spettri di assorbimento ed emissione dell'idrogeno, le cui formule sono riportate sopra, puoi vedere che il primo termine tra parentesi è un numero della forma 1/m2, dove m=1, 2, 3.. è un numero intero. Riflette il numero dell'orbita stazionaria a cui passa l'elettrone da un livello di energia superiore n.
Come studiano gli spettri nel campo del visibile?
È già stato detto sopra che i prismi di vetro sono usati per questo. Ciò fu fatto per la prima volta da Isaac Newton nel 1666, quando decompose la luce visibile in una serie di colori dell'arcobaleno. La ragione perche questo effetto si osserva risiede nella dipendenza dell'indice di rifrazione dalla lunghezza d'onda. Ad esempio, la luce blu (onde corte) viene rifratta più fortemente della luce rossa (onde lunghe).
Si noti che nel caso generale, quando un raggio di onde elettromagnetiche si muove in un qualsiasi mezzo materiale, le componenti ad alta frequenza di questo raggio sono sempre rifratte e disperse più fortemente di quelle a bassa frequenza. Un ottimo esempio è il colore blu del cielo.
Ottica dell'obiettivo e spettro visibile
Quando si lavora con le lenti, viene spesso utilizzata la luce solare. Poiché è uno spettro continuo, quando passa attraverso l'obiettivo, le sue frequenze vengono rifratte in modo diverso. Di conseguenza, il dispositivo ottico non è in grado di raccogliere tutta la luce in un punto e appaiono sfumature iridescenti. Questo effetto è noto come aberrazione cromatica.
Il problema indicato dell'ottica delle lenti è parzialmente risolto utilizzando una combinazione di vetri ottici in strumenti appropriati (microscopi, telescopi).
