أطياف الخط - ربما يكون هذا أحد الموضوعات المهمة التي يتم أخذها في الاعتبار في دورة الفيزياء للصف الثامن في قسم البصريات. إنه مهم لأنه يسمح لنا بفهم التركيب الذري ، وكذلك استخدام هذه المعرفة لدراسة كوننا. دعونا ننظر في هذه المشكلة في المقال.
مفهوم الأطياف الكهرومغناطيسية
بادئ ذي بدء ، دعنا نشرح موضوع المقالة. يعلم الجميع أن ضوء الشمس الذي نراه هو موجات كهرومغناطيسية. تتميز أي موجة بمعاملتين هامتين - طولها وترددها (الخاصية الثالثة التي لا تقل أهمية هي السعة ، والتي تعكس شدة الإشعاع).
في حالة الإشعاع الكهرومغناطيسي ، ترتبط كلا المعلمتين بالمعادلة التالية: λν=ج ، حيث تشير الأحرف اليونانية λ (لامدا) و ν (نو) عادةً إلى الطول الموجي وتردده ، على التوالي ، و c هي سرعة الضوء. نظرًا لأن الأخير قيمة ثابتة للفراغ ، فإن طول وتواتر الموجات الكهرومغناطيسية يتناسبان عكسياً مع بعضها البعض.
قبول الطيف الكهرومغناطيسي في الفيزياءقم بتسمية مجموعة الأطوال الموجية المختلفة (الترددات) المنبعثة من مصدر الإشعاع المقابل. إذا كانت المادة تمتص ، لكنها لا تصدر موجات ، فإن المرء يتحدث عن طيف امتصاص أو امتصاص.
ما هي الأطياف الكهرومغناطيسية؟
بشكل عام ، هناك معياران لتصنيفها:
- حسب تردد الإشعاع.
- حسب طريقة توزيع التردد
لن نتعمق في النظر في النوع الأول من التصنيف في هذه المقالة. سنقول هنا باختصار فقط أن هناك موجات كهرومغناطيسية ذات ترددات عالية ، والتي تسمى إشعاع غاما (>1020هرتز) والأشعة السينية (1018-1019هرتز). الطيف فوق البنفسجي هو بالفعل ترددات منخفضة (1015-1017هرتز). يكمن الطيف المرئي أو البصري في النطاق الترددي 1014هرتز ، والذي يتوافق مع مجموعة أطوال من 400 ميكرومتر إلى 700 ميكرومتر (بعض الناس قادرون على رؤية "أوسع" قليلاً: من 380 ميكرومتر إلى 780 ميكرومتر). تتوافق الترددات المنخفضة مع الأشعة تحت الحمراء أو الطيف الحراري ، وكذلك موجات الراديو التي يمكن أن تكون بالفعل عدة كيلومترات طويلة.
لاحقًا في المقالة ، سنلقي نظرة فاحصة على النوع الثاني من التصنيف ، والمشار إليه في القائمة أعلاه.
أطياف الانبعاث الخطي والمستمر
بالتأكيد أي مادة ، إذا تم تسخينها ، ستصدر موجات كهرومغناطيسية. ما الترددات وأطوال الموجات ستكون؟ تعتمد الإجابة على هذا السؤال على حالة تراكم المادة قيد الدراسة.
تنبعث المواد الصلبة والسائلة ، كقاعدة عامة ، مجموعة مستمرة من الترددات ، أي أن الفرق بينهما صغير جدًا بحيث يمكننا التحدث عن طيف مستمر من الإشعاع. بالمقابل ، إذا تم تسخين غاز ذري له ضغوط منخفضة ، فإنه يبدأ في "التوهج" ، وينبعث منه أطوال موجية محددة بدقة. إذا تم تطوير هذا الأخير على فيلم فوتوغرافي ، فستكون خطوطًا ضيقة ، كل منها مسؤول عن تردد معين (الطول الموجي). لذلك ، كان هذا النوع من الإشعاع يسمى طيف الانبعاث الخطي.
بين الخط والمستمر يوجد نوع وسيط من الطيف ، والذي عادةً ما يصدر جزيئيًا وليس غازًا ذريًا. هذا النوع عبارة عن نطاقات معزولة ، كل منها ، عند فحصها بالتفصيل ، يتكون من خطوط ضيقة منفصلة.
طيف امتصاص الخط
كل ما قيل في الفقرة السابقة يشير إلى إشعاع الأمواج بالمادة. ولكن لديها أيضا امتصاص. دعونا نجري التجربة المعتادة: لنأخذ غازًا ذريًا باردًا مفرغًا (على سبيل المثال ، الأرجون أو النيون) ونترك الضوء الأبيض من المصباح المتوهج يمر عبره. بعد ذلك ، نقوم بتحليل تدفق الضوء الذي يمر عبر الغاز. اتضح أنه إذا تحلل هذا التدفق إلى ترددات فردية (يمكن القيام بذلك باستخدام المنشور) ، فستظهر العصابات السوداء في الطيف المستمر المرصود ، مما يشير إلى أن الغاز يمتص هذه الترددات. في هذه الحالة ، يتحدث المرء عن طيف امتصاص الخط.
في منتصف القرن التاسع عشر. عالم ألماني يدعى جوستافاكتشف كيرشوف خاصية مثيرة للاهتمام للغاية: فقد لاحظ أن الأماكن التي تظهر فيها الخطوط السوداء على الطيف المستمر تتوافق تمامًا مع ترددات إشعاع مادة معينة. حاليا ، هذه الميزة تسمى قانون كيرشوف.
سلسلة Balmer و Liman و Pashen
منذ نهاية القرن التاسع عشر ، سعى علماء الفيزياء في جميع أنحاء العالم إلى فهم ماهية أطياف خط الإشعاع. لقد وجد أن كل ذرة من عنصر كيميائي معين تحت أي ظروف تظهر نفس الانبعاثية ، أي أنها تصدر موجات كهرومغناطيسية بترددات محددة فقط.
أجرى الفيزيائي السويسري بالمر أولى الدراسات التفصيلية لهذا الموضوع. في تجاربه ، استخدم غاز الهيدروجين المسخن إلى درجات حرارة عالية. نظرًا لأن ذرة الهيدروجين هي الأبسط بين جميع العناصر الكيميائية المعروفة ، فمن الأسهل دراسة ميزات طيف الإشعاع عليها. حصل بالمر على نتيجة مذهلة كتبها بالصيغة التالية:
1 / λ=RH (1 / 4-1 / n2).
هنا λ هو طول الموجة المنبعثة ، RH- قيمة ثابتة ، والتي بالنسبة للهيدروجين تساوي 1 ، 097107m-1، n هو عدد صحيح يبدأ من 3 ، أي 3 ، 4 ، 5 إلخ.
جميع الأطوال λ ، التي يتم الحصول عليها من هذه الصيغة ، تقع داخل الطيف البصري المرئي للبشر. هذه السلسلة من قيم λ للهيدروجين تسمى الطيفبالمر
بعد ذلك ، وباستخدام المعدات المناسبة ، اكتشف العالم الأمريكي ثيودور ليمان طيف الهيدروجين فوق البنفسجي ، والذي وصفه بصيغة مشابهة لصيغة Balmer:
1 / λ=RH (1 / 1-1 / n2).
أخيرًا ، حصل عالم فيزيائي ألماني آخر ، فريدريك باشن ، على صيغة لانبعاث الهيدروجين في منطقة الأشعة تحت الحمراء:
1 / λ=RH (1 / 9-1 / n2).
ومع ذلك ، فإن تطوير ميكانيكا الكم فقط في عشرينيات القرن الماضي يمكن أن يفسر هذه الصيغ.
رذرفورد ، بور والنموذج الذري
في العقد الأول من القرن العشرين ، أجرى إرنست رذرفورد (فيزيائي بريطاني من أصل نيوزيلندي) العديد من التجارب لدراسة النشاط الإشعاعي للعناصر الكيميائية المختلفة. بفضل هذه الدراسات ، وُلد النموذج الأول للذرة. يعتقد رذرفورد أن "حبة" المادة تتكون من نواة موجبة كهربائيًا وإلكترونات سالبة تدور في مداراتها. تفسر قوى كولوم لماذا "لا تنهار" الذرة ، وقوى الطرد المركزي التي تعمل على الإلكترونات هي السبب في عدم وقوع الأخيرة في النواة.
يبدو أن كل شيء منطقيًا في هذا النموذج ، باستثناء نموذج واحد ولكن. الحقيقة هي أنه عند التحرك على طول مسار منحني ، يجب أن يشع أي جسيم مشحون موجات كهرومغناطيسية. لكن في حالة وجود ذرة مستقرة ، لا يتم ملاحظة هذا التأثير. ثم اتضح أن النموذج نفسه خاطئ؟
تم إجراء التعديلات اللازمة عليهفيزيائي آخر هو الدنماركي نيلز بور. تُعرف هذه التعديلات الآن باسم افتراضاته. قدم بور اقتراحين في نموذج رذرفورد:
- تتحرك الإلكترونات في مدارات ثابتة في الذرة ، بينما لا تصدر أو تمتص الفوتونات ؛
- تحدث عملية الإشعاع (الامتصاص) فقط عندما ينتقل الإلكترون من مدار إلى آخر.
ما هي مدارات بوهر الثابتة ، سننظر في الفقرة التالية
تكميم مستويات الطاقة
المدارات الثابتة للإلكترون في الذرة ، والتي تحدث عنها بور لأول مرة ، هي حالات كمومية مستقرة لهذه الموجة الجسيمية. تتميز هذه الحالات بطاقة معينة. هذا الأخير يعني أن الإلكترون في الذرة "جيد" في بعض الطاقة. يمكنه الدخول إلى "حفرة" أخرى إذا تلقى طاقة إضافية من الخارج على شكل فوتون.
في خط أطياف الامتصاص والانبعاث للهيدروجين ، الصيغ الواردة أعلاه ، يمكنك أن ترى أن المصطلح الأول بين قوسين هو رقم على الشكل 1 / م2، حيث م=1 ، 2 ، 3.. عدد صحيح. إنه يعكس عدد المدار الثابت الذي يمر إليه الإلكترون من مستوى طاقة أعلى ن.
كيف يدرسون الأطياف في النطاق المرئي؟
لقد سبق أن قيل أعلاه أن مناشير الزجاج تستخدم لهذا الغرض. تم القيام بذلك لأول مرة بواسطة إسحاق نيوتن في عام 1666 ، عندما قام بتحليل الضوء المرئي إلى مجموعة من ألوان قوس قزح. السبب لالذي لوحظ هذا التأثير يكمن في اعتماد معامل الانكسار على طول الموجة. على سبيل المثال ، الضوء الأزرق (الموجات القصيرة) ينكسر بقوة أكبر من الضوء الأحمر (موجات طويلة).
لاحظ أنه في الحالة العامة ، عندما تتحرك حزمة من الموجات الكهرومغناطيسية في أي وسيط مادي ، فإن مكونات التردد العالي لهذه الحزمة تنكسر دائمًا وتشتت بقوة أكبر من المكونات منخفضة التردد. مثال رئيسي هو اللون الأزرق للسماء.
بصريات العدسة والطيف المرئي
عند العمل بالعدسات ، غالبًا ما يستخدم ضوء الشمس. نظرًا لأنه طيف مستمر ، فعند المرور عبر العدسة ، تنكسر تردداته بشكل مختلف. نتيجة لذلك ، لا يتمكن الجهاز البصري من جمع كل الضوء في نقطة واحدة ، وتظهر ظلال قزحية. يُعرف هذا التأثير باسم الانحراف اللوني.
تم حل مشكلة بصريات العدسات المشار إليها جزئيًا باستخدام مجموعة من النظارات البصرية في الأدوات المناسبة (المجاهر ، التلسكوبات).
