Quang phổ vạch - đây có lẽ là một trong những chủ đề quan trọng được coi trong chương trình học Vật lý lớp 8 phần quang học. Nó quan trọng vì nó cho phép chúng ta hiểu cấu trúc nguyên tử, cũng như sử dụng kiến thức này để nghiên cứu Vũ trụ của chúng ta. Hãy cùng xem xét vấn đề này trong bài viết.
Khái niệm về quang phổ điện từ
Trước hết, chúng ta hãy giải thích bài viết sẽ nói về vấn đề gì. Mọi người đều biết rằng ánh sáng mặt trời mà chúng ta nhìn thấy là sóng điện từ. Bất kỳ sóng nào cũng được đặc trưng bởi hai thông số quan trọng - độ dài và tần số của nó (đặc tính thứ ba, không kém phần quan trọng của nó là biên độ, phản ánh cường độ của bức xạ).
Trong trường hợp bức xạ điện từ, cả hai tham số có liên quan trong phương trình sau: λν=c, trong đó các chữ cái Hy Lạp λ (lambda) và ν (nu) thường biểu thị bước sóng và tần số của nó, và c là tốc độ ánh sáng. Vì giá trị sau là một giá trị không đổi đối với chân không, nên độ dài và tần số của sóng điện từ tỷ lệ nghịch với nhau.
Phổ điện từ trong vật lý được chấp nhậngọi tên tập hợp các bước sóng (tần số) khác nhau do nguồn bức xạ tương ứng phát ra. Nếu chất này hấp thụ, nhưng không phát ra sóng, thì người ta nói về một phổ hấp phụ hoặc hấp thụ.
Quang phổ điện từ là gì?
Nói chung, có hai tiêu chí để phân loại:
- Theo tần số bức xạ.
- Theo phương pháp phân phối tần số.
Chúng tôi sẽ không đi sâu vào việc xem xét loại phân loại đầu tiên trong bài viết này. Ở đây chúng tôi sẽ chỉ nói ngắn gọn rằng có các sóng điện từ có tần số cao, được gọi là bức xạ gamma (>1020Hz) và tia X (1018 -1019Hz). Phổ tử ngoại đã có tần số thấp hơn (1015-1017Hz). Phổ khả kiến hoặc quang phổ nằm trong dải tần số 1014Hz, tương ứng với một tập hợp độ dài từ 400 µm đến 700 µm (một số người có thể nhìn thấy "rộng" hơn một chút: từ 380 µm đến 780 µm). Các tần số thấp hơn tương ứng với phổ hồng ngoại hoặc phổ nhiệt, cũng như sóng vô tuyến, có thể đã dài vài km.
Ở phần sau của bài viết, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn kiểu phân loại thứ 2, được lưu ý trong danh sách trên.
Quang phổ vạch và phát xạ liên tục
Hoàn toàn bất kỳ chất nào nếu bị nung nóng sẽ phát ra sóng điện từ. Chúng sẽ là những tần số và bước sóng nào? Câu trả lời cho câu hỏi này phụ thuộc vào trạng thái tập hợp của chất được nghiên cứu.
Chất lỏng và chất rắn phát ra, theo quy luật, một tập hợp tần số liên tục, nghĩa là, sự khác biệt giữa chúng rất nhỏ đến mức chúng ta có thể nói về một phổ bức xạ liên tục. Ngược lại, nếu một khí nguyên tử có áp suất thấp được đốt nóng, nó sẽ bắt đầu "phát sáng", phát ra các bước sóng xác định nghiêm ngặt. Nếu cái sau được phát triển trên phim ảnh, thì chúng sẽ là những vạch hẹp, mỗi vạch chịu trách nhiệm về một tần số (bước sóng) cụ thể. Do đó, loại bức xạ này được gọi là quang phổ phát xạ vạch.
Giữa vạch và liên tục có một loại quang phổ trung gian, thường phát ra phân tử chứ không phải khí nguyên tử. Loại này là các dải riêng biệt, mỗi dải, khi được kiểm tra chi tiết, bao gồm các đường hẹp riêng biệt.
Quang phổ hấp thụ vạch
Tất cả những gì đã nói trong đoạn trước đều ám chỉ sự bức xạ của sóng bởi vật chất. Nhưng nó cũng có khả năng thấm hút. Hãy tiến hành thí nghiệm thông thường: lấy một khí nguyên tử phóng ra lạnh (ví dụ, argon hoặc neon) và cho ánh sáng trắng từ đèn sợi đốt đi qua nó. Sau đó, chúng tôi phân tích thông lượng ánh sáng truyền qua chất khí. Nó chỉ ra rằng nếu thông lượng này bị phân hủy thành các tần số riêng lẻ (điều này có thể được thực hiện bằng lăng kính), thì các dải đen xuất hiện trong quang phổ liên tục quan sát được, cho thấy rằng các tần số này đã bị hấp thụ bởi chất khí. Trong trường hợp này, người ta nói về quang phổ hấp thụ vạch.
Vào giữa thế kỷ XIX. Nhà khoa học người Đức tên là GustavKirchhoff đã phát hiện ra một tính chất rất thú vị: ông nhận thấy rằng những nơi xuất hiện vạch đen trên quang phổ liên tục tương ứng chính xác với các tần số của bức xạ của một chất nhất định. Hiện tại, tính năng này được gọi là định luật Kirchhoff.
Dòng Balmer, Liman và Pashen
Từ cuối thế kỷ 19, các nhà vật lý trên khắp thế giới đã tìm cách tìm hiểu quang phổ vạch của bức xạ là gì. Người ta nhận thấy rằng mỗi nguyên tử của một nguyên tố hóa học nhất định trong bất kỳ điều kiện nào đều có cùng một độ phát xạ, tức là nó chỉ phát ra sóng điện từ có tần số cụ thể.
Các nghiên cứu chi tiết đầu tiên về vấn đề này được thực hiện bởi nhà vật lý Thụy Sĩ Balmer. Trong các thí nghiệm của mình, ông đã sử dụng khí hiđro được nung nóng đến nhiệt độ cao. Vì nguyên tử hydro là nguyên tố đơn giản nhất trong số tất cả các nguyên tố hóa học đã biết, nên việc nghiên cứu các đặc điểm của phổ bức xạ trên nó là điều dễ dàng nhất. Balmer đã có một kết quả đáng kinh ngạc, anh ấy đã viết ra công thức sau:
1 / λ=RH (1 / 4-1 / n2).
Ở đây λ là độ dài của sóng phát ra, RH- một giá trị không đổi nào đó, đối với hydro bằng 1, 097107m-1, n là số nguyên bắt đầu từ 3, tức là 3, 4, 5, v.v.
Tất cả độ dài λ, thu được từ công thức này, nằm trong quang phổ mà con người có thể nhìn thấy. Dãy các giá trị λ này đối với hydro được gọi là quang phổBalmer.
Sau đó, sử dụng thiết bị thích hợp, nhà khoa học người Mỹ Theodore Liman đã khám phá ra quang phổ hiđrô tia cực tím, được ông mô tả với công thức tương tự như công thức của Balmer:
1 / λ=RH (1 / 1-1 / n2).
Cuối cùng, một nhà vật lý người Đức khác, Friedrich Paschen, đã thu được công thức cho sự phát xạ hydro trong vùng hồng ngoại:
1 / λ=RH (1 / 9-1 / n2).
Tuy nhiên, chỉ có sự phát triển của cơ học lượng tử trong những năm 1920 mới có thể giải thích những công thức này.
Rutherford, Bohr và mô hình nguyên tử
Trong thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20, Ernest Rutherford (nhà vật lý người Anh gốc New Zealand) đã tiến hành nhiều thí nghiệm để nghiên cứu tính phóng xạ của các nguyên tố hóa học khác nhau. Nhờ những nghiên cứu này, mô hình nguyên tử đầu tiên đã ra đời. Rutherford tin rằng "hạt" vật chất này bao gồm một hạt nhân mang điện dương và các điện tử âm quay trong quỹ đạo của nó. Lực Coulomb giải thích tại sao nguyên tử "không rơi ra", và lực ly tâm tác dụng lên các electron là lý do tại sao sau này không rơi vào hạt nhân.
Mọi thứ dường như hợp lý trong mô hình này, ngoại trừ một ngoại trừ. Thực tế là khi chuyển động theo quỹ đạo cong, bất kỳ hạt tích điện nào cũng phải bức xạ sóng điện từ. Nhưng trong trường hợp của một nguyên tử ổn định, hiệu ứng này không được quan sát thấy. Sau đó, nó chỉ ra rằng mô hình chính nó là sai?
Các sửa đổi cần thiết đã được thực hiện cho nómột nhà vật lý khác là Dane Niels Bohr. Những sửa đổi này bây giờ được gọi là định đề của ông. Bohr đã đưa hai mệnh đề vào mô hình của Rutherford:
- electron chuyển động theo quỹ đạo tĩnh trong nguyên tử, trong khi chúng không phát ra hoặc hấp thụ photon;
- quá trình bức xạ (hấp thụ) chỉ xảy ra khi một electron chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác.
Quỹ đạo Bohr tĩnh là gì, chúng ta sẽ xem xét trong đoạn tiếp theo.
Lượng tử hóa các mức năng lượng
Các quỹ đạo đứng yên của một electron trong nguyên tử, mà Bohr lần đầu tiên nói đến, là trạng thái lượng tử ổn định của sóng hạt này. Các trạng thái này được đặc trưng bởi một năng lượng nhất định. Loại thứ hai có nghĩa là electron trong nguyên tử đang ở trong một "giếng" năng lượng nào đó. Anh ta có thể chui vào một "hố" khác nếu nhận thêm năng lượng từ bên ngoài dưới dạng một photon.
Trong quang phổ vạch phát xạ và hấp thụ của hydro, công thức của chúng được đưa ra ở trên, bạn có thể thấy rằng số hạng đầu tiên trong ngoặc là một số có dạng 1 / m2, trong đó m=1, 2, 3.. là số nguyên. Nó phản ánh số quỹ đạo đứng yên mà êlectron chuyển từ mức năng lượng cao hơn n.
Họ nghiên cứu quang phổ trong phạm vi nhìn thấy như thế nào?
Người ta đã nói ở trên rằng lăng kính thủy tinh được sử dụng cho việc này. Điều này được thực hiện lần đầu tiên bởi Isaac Newton vào năm 1666, khi ông phân hủy ánh sáng nhìn thấy thành một tập hợp các màu sắc cầu vồng. Lý giải cho việcmà hiệu ứng này được quan sát nằm trong sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng. Ví dụ, ánh sáng xanh lam (sóng ngắn) bị khúc xạ mạnh hơn ánh sáng đỏ (sóng dài).
Lưu ý rằng trong trường hợp chung, khi một chùm sóng điện từ di chuyển trong bất kỳ môi trường vật chất nào, các thành phần tần số cao của chùm này luôn bị khúc xạ và tán xạ mạnh hơn các thành phần tần số thấp. Một ví dụ điển hình là màu xanh của bầu trời.
Quang học thấu kính và quang phổ khả kiến
Khi làm việc với ống kính, ánh sáng mặt trời thường được sử dụng. Vì là quang phổ liên tục nên khi đi qua thấu kính, các tần số của nó bị khúc xạ khác nhau. Do đó, thiết bị quang học không thể thu thập tất cả ánh sáng tại một điểm và xuất hiện các sắc thái óng ánh. Hiệu ứng này được gọi là quang sai màu.
Vấn đề đã chỉ ra của thấu kính quang học được giải quyết một phần bằng cách sử dụng kết hợp kính quang học trong các dụng cụ thích hợp (kính hiển vi, kính thiên văn).
