У цій статті наводяться основні поняття, необхідні для розуміння того, як відбувається випущення і поглинання світла атомами. Також тут описується застосування цих явищ.

Смартфон і фізика

Чоловік, який народився пізніше 1990 року, своє життя без різноманітних електронних пристроїв не може уявити. Смартфон не тільки замінює телефон, але і дає можливість стежити за курсами валют, здійснювати угоди, викликати таксі і навіть листуватися з космонавтами на борту МКС через свої додатки. Відповідно, і сприймаються всі ці цифрові помічники як щось само собою зрозуміле. Випускання і поглинання світла атомами, завдяки яким і стала можлива ера зменшення всіляких пристроїв, таким читачам здасться лише нудною темою на уроках фізики. Але в цьому розділі фізики багато цікавого і захоплюючого.

Теоретичні передумови для відкриття спектрів

Є приказка: «Цікавість до добра не доведе». Але це вираження скоріше стосується того факту, що в чужі взаємини краще не втручатися. Якщо ж виявити допитливість до навколишнього світу, нічого поганого не буде. В кінці дев'ятнадцятого століття людям стала зрозуміла природа магнетизму (вона добре описана в системі рівнянь Максвелла). Наступним питанням, яке захотілося дозволити вченим, стало будова речовини. Треба відразу уточнити, що для науки є цінним не само випускання і поглинання світла атомами. Лінійчаті спектри – це наслідок даного явища та підстава для вивчення будови речовин.

Будова атома

Вчені ще в Стародавній Греції припустили, що мармур складається з окремих неподільних частинок, «атомів». І до кінця дев'ятнадцятого століття люди думали, що це найменші частки речовини. Але досвід Резерфорда по розсіюванню важких частинок на золотій фользі показав: атом теж має внутрішню будову. Важке ядро знаходиться в центрі і заряджена позитивно, легкі негативні електрони обертаються навколо нього.

Парадокси атома в рамках теорії Максвелла

Ці дані викликали до життя кілька парадоксів: відповідно до рівнянь Максвелла, будь-яка рухається заряджена частинка випромінює електромагнітне поле, отже, втрачає енергію. Чому ж тоді електрони не падають на ядро, а продовжують обертатися? Також було незрозуміло, чому кожен атом поглинає або випромінює фотони тільки певної довжини хвилі. Теорія Бора дозволила усунути ці невідповідності шляхом введення орбіталей. Згідно з постулатів цієї теорії, електрони можуть знаходитися навколо ядра тільки на цих осях. Перехід між двома сусідніми станами супроводжується або випусканням, або поглинанням кванта з певною енергією. Випускання і поглинання світла атомами відбувається саме завдяки цьому.

Довжина хвилі, частота, енергія

Для більш повної картини необхідно розповісти трохи про фотонах. Це елементарні частинки, які не мають маси спокою. Вони існують, тільки поки що рухаються крізь середовище. Але масою все-таки мають: вдаряючись об поверхню, вони передають їй імпульс, що було б неможливо без маси. Просто свою масу вони перетворюють на енергію, роблячи речовина, про яке вони вдаряються і яким вони поглинаються, трохи тепліше. Теорія Бора не пояснює цей факт. Властивості фотона і особливості його поведінки описує квантова фізика. Отже, фотон – одночасно і хвиля, і частинка з масою. Фотон, і як хвиля, володіє наступними характеристиками: довжиною (?), частотою (?), енергією (Е). Чим більше довжина хвилі, тим нижче частота, тим нижче енергія.

Спектр атома

Атомний спектр формується в декілька етапів.

Електрон в атомі переходить з орбіталі 2 (з більш високою енергією) на орбіталь 1 (з менш низькою енергією).

Вивільняється певна кількість енергії, яке формується як квант світла (h?).

Цей квант випромінюється в навколишній простір.

Таким чином і виходить лінійчатий спектр атома. Чому він називається саме так, пояснює його форма: коли спеціальні пристрої «ловлять» вихідні фотони світла, на реєструючому пристрої фіксується ряд ліній. Щоб розділити фотони різної довжини хвилі, використовується явище дифракції: хвилі з різною частотою мають різний показник заломлення, отже, одні відхиляються сильніше, ніж інші.

Властивості речовин і спектри

Лінійчатий спектр речовини унікальний для кожного виду атомів. Тобто водень при випущенні дасть один набір ліній, а золото – інший. Цей факт і є основою для застосування спектрометрії. Отримавши спектр чого завгодно, можна зрозуміти, з чого складається речовина, як у ньому розташовуються атоми відносно один одного. Цей метод дозволяє визначити і різні властивості матеріалів, що часто використовує хімія і фізика. Поглинання і випущення світла атомами – один з найпоширеніших інструментів для вивчення навколишнього світу.

Недоліки методу спектрів випускання

До даного моменту йшлося швидше про те, як атоми випромінюють. Але зазвичай всі електрони знаходяться на своїх орбіталях в стані рівноваги, у них немає причин переходити в інші стани. Щоб речовина щось излучило, воно спочатку має поглинути енергію. У цьому недолік методу, який експлуатує поглинання і випущення світла атомом. Коротко скажемо, що речовина спочатку потрібно нагріти або висвітлити, перш ніж ми отримаємо спектр. Питань не виникне, якщо вчений вивчає зірки, вони і так світяться завдяки власним внутрішнім процесам. Але якщо потрібно вивчити шматочок руди або харчовий продукт, то для отримання спектру його фактично треба спалити. Цей спосіб підходить не завжди.

Спектри поглинання

Випромінювання та поглинання світла атомами як метод «працює» в дві сторони. Можна посвітити на речовину широкосмуговим світлом (тобто таким, в якому присутні фотони різних довжин хвиль), а потім подивитися, хвилі яких довжин поринули. Але підходить цей спосіб не завжди: обов'язково, щоб речовина була прозорим для потрібної частини електромагнітної шкали.

Якісний і кількісний аналіз

Стало ясно: спектри унікальні для кожної речовини. Читач міг укласти: такий аналіз використовується тільки для того, щоб визначити, з чого зроблений матеріал. Однак можливості спектрів набагато ширше. З допомогою особливих методик розгляду і розпізнавання ширини та інтенсивності отриманих ліній можна встановити кількість входять у з'єднання атомів. Причому цей показник можна виражати в різних одиницях:

у відсотках (наприклад, в цьому сплаві міститься 1% алюмінію);

в молях (в цієї рідини розчинено 3 моля кухонної солі);

в грамах (в даному зразку присутні 02 г урану і 04 грама торію).

Іноді аналіз буває змішаним: якісним і кількісним одночасно. Але якщо раніше фізики заучували напам'ять положення ліній і оцінювали їх відтінок за допомогою спеціальних таблиць, то зараз все це роблять програми.

Застосування спектрів

Ми вже досить докладно розібрали, що таке випускання і поглинання світла атомами. Спектральний аналіз застосовується дуже широко. Немає жодної сфери людської діяльності, де б не використовувалося розглянуте нами явище. Ось деякі з них:

На самому початку статті ми говорили про смартфонах. Кремнієві напівпровідникові елементи стали такими маленькими, у тому числі і завдяки дослідженням кристалів за допомогою спектрального аналізу.

При будь-яких пригодах саме унікальність електронної оболонки кожного атома дозволяє визначити, яку кулю випустили першої, чому зламався каркас машини або впав баштовий кран, а також яким отруївся отрутою, і скільки часу він пробув у воді.

Медицина використовується спектральний аналіз в своїх цілях найчастіше по відношенню до рідин тіла, але буває, що цей метод застосовується і до тканин.

Далекі галактики, хмари космічного газу, планети у чужих зірок – все це вивчають за допомогою світла і його розкладання в спектри. Вчені дізнаються склад цих об'єктів, їх швидкість і процеси, які в них відбуваються завдяки тому, що можуть зафіксувати і проаналізувати фотони, які вони випускають або поглинають.

Електромагнітна шкала

Найбільше ми приділяємо уваги видимого світла. Але електромагнітної шкалою цей відрізок дуже маленький. Те, що людське око не фіксує, набагато ширше семи кольорів веселки. Випускатися й поглинатися можуть не тільки видимі фотони (?=380-780 нанометрів), але і інші кванти. Електромагнітна шкала включає:

Радіохвилі (? = 100 кілометрів) передають інформацію на далекі відстані. З-за дуже великої довжини хвилі їхня енергія дуже низька. Вони дуже легко поглинаються.

Терагерцових хвилі (? = 1-01 міліметрів) до недавнього часу були важкодоступні. Раніше їх діапазон включали в радіохвилі, але зараз цей відрізок електромагнітної шкали виділяється в окремий клас.

Інфрачервоні хвилі (? = 074-2000 мікрометрів) переносять тепло. Багаття, лампа, Сонце випромінюють їх у надлишку.

Видимий світ ми розглянули, тому більш детально про нього писати не будемо. Ультрафіолетові хвилі (? = 10-400 нм) смертельні для людини в надлишку, але і їх недолік викликає незворотні процеси. Наша центральна зірка дає дуже багато ультрафіолету, а атмосфера Землі затримує більшу його частину. Рентгенівські і гамма-кванти (? < 10 нанометров) имеют общий диапазон, но различаются по происхождению. Чтоби получить их, нужно разогнать электрони или атоми до очень високих скоростей. Лаборатории людей способни на это, но в природе такие энергии встречаются только внутри звезд или при столкновениях массивних объектов. Примером последнего процесса могут служить взриви сверхнових, поглощение звезди черной дирой, встреча двух галактик или галактики и массивного облака газа. Електромагнітні хвилі всіх діапазонів, а саме їх здатність випускатися й поглинатися атомами, застосовуються в людській діяльності. Незалежно від того, що читач обрав (або тільки збирається обрати) у якості своєї життєвої стежки, він точно зіткнеться з результатами спектральних досліджень. Продавець користується сучасним платіжним терміналом тільки тому, що коли-то вчений досліджував властивості речовин і створив мікрочіп. Аграрій удобрюють поля і збирає зараз великі врожаї тільки тому, що колись геолог виявив фосфор у шматок руди. Дівчина носить яскраві вбрання тільки завдяки винаходу стійких хімічних барвників. Але якщо читач бажає пов'язати своє життя зі світом науки, то доведеться вивчити набагато більше, ніж основні поняття процесу випромінювання і поглинання квантів світла в атомах.