Existují tři typy emisních spekter – čárové, pruhované a spojité. Čárová spektra jsou pozorována v případech, kdy emitují jednotlivé atomy nebo ionty. Skládají se z řady čar charakteristických pro danou látku, oddělených tmavými mezerami. Každý řádek odpovídá specifické vlnové délce, nazývané monochromatické. Čárová spektra charakterizují jevy vyskytující se uvnitř atomu.
Pásová spektra jsou emitována molekulami. Pás je řada těsně rozmístěných spektrálních čar. Emise pruhovaných spekter ukazuje na komplikaci energetických stavů molekuly ve srovnání se stavy izolovaného atomu v důsledku vibrací a rotační pohyby její základní jádra.
Spojitá spektra jsou emitována pevnými látkami. Kontinuální povaha těchto spekter je důsledkem silné interakce částic, které tvoří pevnou látku.
Typ čárového spektra závisí na atomové struktuře odpovídajícího chemického prvku, takže každý chemické prvky vyznačující se přesně definovaným spektrem čar, lišících se od sebe jak počtem čar, tak jejich vlnovými délkami. Nejjednodušší čárové spektrum vytváří atom vodíku, který má nejjednodušší strukturu. Hledání vysvětlení vzorů, které jsou tomuto spektru vlastní, vedlo k vytvoření kvantově mechanické teorie atomu.
Předně je třeba poznamenat, že čáry v emisním spektru libovolného atomu, včetně atomu vodíku, nejsou umístěny náhodně, ale lze je spojovat do skupin nazývaných série. Uspořádání čar v těchto sériích podléhá určitým vzorům. Ve viditelné části spektra atomu vodíku je to Balmerova řada, v ultrafialové - Lymanova řada, v blízké infračervené - Paschenova řada atd. Nalezeno empiricky vzorec pro vlnové délky l čar v každé z těchto řad je:
Říká se tomu zobecněný Balmerův vzorec. V tomto vzorci R = 1,097 x 107 m-1- Rydbergova konstanta, n A m celá čísla. Pro daný nčíslo m přijímá všechny celočíselné hodnoty počínaje n+1. Li n=1 vzorec (1) popisuje Lymanovu řadu, n=2 série Balmer, n=3- Paschenova řada.
Fyzikální význam tohoto vzorce vyplývá z teorie struktury atomu vodíku a atomů podobných vodíku, vytvořené Bohrem na základě Planckovy kvantové hypotézy a klasického planetárního modelu atomu Rutherforda. Bohr postuloval hlavní ustanovení teorie, kterou vyvinul.
První postulát: v atomu existuje řada diskrétních stacionárních stavů, které odpovídají určitým hodnotám energie atomu: E 1, E 2, E 3,… . Ve stacionárním stavu atom nevyzařuje ani neabsorbuje energii.
Druhý postulát: k emisi a absorpci energie dochází při přechodu z jednoho stacionárního stavu do druhého. V tomto případě je emitováno nebo absorbováno kvantum energie hn, rovna energetickému rozdílu mezi dvěma stacionárními stavy:
hn = Em - En (2)
Kde h- Planckova konstanta. Výraz (2) určuje frekvenci n monochromatického záření emitovaného nebo absorbovaného atomem při přechodu ze stavu m do stavu n (Bohrova frekvenční podmínka).
Diskrétní stacionární stavy v Bohrově teorii byly vybrány pomocí speciálního pravidla pro kvantování drah, které bylo formulováno následovně: ze všech drah možných podle klasické mechaniky jsou realizovány pouze ty, ve kterých je moment hybnosti elektronu násobkem hodnoty ( třetí postulát):
Ve vzorci (3) m– hmotnost elektronů; Vn- rychlost elektronů na n stacionární oběžná dráha; r n- poloměr této oběžné dráhy; n- celé číslo: 1, 2, 3, ....
Po Bohrovi uvažujme atomový systém skládající se z jádra s nábojem Ze a jednoho elektronu s nábojem - E.
Na Z= 1, takový systém odpovídá atomu vodíku, s jiným Z - atom podobný vodíku, tzn. atom s atomovým číslem Z, ze kterého byly kromě jednoho odstraněny všechny elektrony. Pro zjednodušení výpočtů předpokládejme, že elektron rotuje po kruhové dráze a hmotnost jádra je ve srovnání s hmotností elektronu nekonečně velká a jádro je nehybné.
Dostředivá síla, která drží elektron na n-té stacionární dráze, je vytvářena silou Coulombovy přitažlivosti k jádru.
Odtud: , (4)
těch. když se elektron pohybuje po své dráze Kinetická energie a potenciální energie spolu souvisí vztahem 2T = -U (5)
Vydělením rovnice (4) rovnicí (3) získáme výraz pro rychlost elektronu na n-té stacionární dráze
Celková energie (E) elektronu na n-té stacionární dráze se skládá z kinetické a potenciální energie a při zohlednění vzorce (5) se rovná:
Dosazením hodnoty rychlosti (6) do tohoto vzorce získáme následující výraz pro energie stacionárních stavů atomu:
Když se elektron přesune z dráhy m na dráhu n, je emitováno kvantum energie podle vzorce (3)
Odtud frekvence spektrální čáry
Ve spektroskopii se obvykle používají vlnová čísla. Pak
Pro vodík (Z = 1) má vzorec (7) tvar:
a shoduje se se zobecněným Balmerovým vzorcem (1), který byl empiricky zjištěn pro vlnová čísla spektrálních čar atomu vodíku. Ze vzorců (1) a (8) vyplývá, že
Tato hodnota se shoduje s experimentálně stanovenou hodnotou Rydbergovy konstanty.
Obrázek 1 ukazuje diagram energetických hladin a tři série spektrálních čar atomu vodíku.
Přechody z vyšší úrovně do úrovně n = 1 odpovídá záření ultrafialové Lymanovy řady (I), pro kterou ze vzorce (8) získáme:
Kde m = 2, 3, 4, ...
Přechody z vyšších úrovní na úroveň n = 2 odpovídají záření z viditelné Balmerovy řady (II):
Kde m = 3, 4, 5, ...
Přechody z vyšších úrovní na úroveň n = 3 odpovídají záření infračervené řady Paschen (III):
Kde m = 4, 5, 6, .…
Když atom absorbuje světlo, elektrony se pohybují z nižších úrovní na vyšší. V tomto případě atom přechází ze základního stavu do excitovaného.
Bohrova teorie se vyznačovala vnitřní logickou nekonzistencí, takže se nemohla stát konzistentní kompletní teorií atomových jevů. V současné době jsou spektra atomů a molekul vysvětlována v rámci kvantové mechaniky.
Přístup k popisu stavu mikročástic v kvantové mechanice je zásadně odlišný od klasického. Neumožňuje nám jednoznačně určit polohu částice v prostoru a její trajektorii, jak se to děje v klasické mechanice, protože v mikrosvětě tyto pojmy ztrácejí smysl, ale pouze předpovídá: s jakou pravděpodobností lze tuto částici detekovat při různých body ve vesmíru. Proto má kvantová mechanika statistickou povahu.
Základem matematického aparátu kvantové mechaniky je tvrzení, že popis stavu systému se provádí určitou funkcí souřadnic a času Y, charakterizující tento stav. Tato funkce se nazývá vlnová funkce. Fyzikální význam nemá samotná vlnová funkce, ale druhá mocnina jejího modulu, která určuje pravděpodobnost dw detekce předmětu (mikročástice) v objemovém prvku dV. Pokud je funkce Y normalizována, pak dw = |Y| 2 dV (9)
Pojďme zjistit vlastnosti vlnové funkce. S ohledem na to, co bylo řečeno výše o fyzickém významu |Y| 2 vlnová funkce, Y by mělo být:
1. konečná, protože pravděpodobnost nemůže být větší než jedna;
2. jednoznačný;
3. průběžný, protože pravděpodobnost se nemůže náhle změnit.
Pro popis stavu systému v kvantové mechanice je tedy nutné znát vlnovou funkci tohoto systému. Vyplývá to ze Schrödingerovy rovnice, která je základní rovnicí nerelativistické kvantové mechaniky. Tato rovnice není odvozena, ale je postulována na základě obecných úvah. Jeho platnost dokazuje shoda výsledků z něj získaných. teoretické výsledky se zažitými fakty. V obecný případ Schrödingerova rovnice má následující tvar:
Tady m- hmotnost částic, U- funkce souřadnic a času, rovna potenciálu silového pole s opačným znaménkem, i- imaginární jednotka, - Laplaceův operátor, .
Pokud je silové pole, ve kterém se částice nachází, stacionární (nezávisí na čase), pak potenciál U nezávisí na čase a přebírá význam potenciální energie příslušné částice ve vnějším silovém poli. V tomto případě může být Y reprezentováno jako součin dvou funkcí, z nichž jedna závisí pouze na souřadnicích a druhá pouze na čase.
Tady E- celková energie částice, která se v případě stacionárního pole v čase nemění.
Po dosazení tohoto výrazu do rovnice (10) pro funkci y(x,y,z) získá se následující rovnice:
která se nazývá Schrödingerova rovnice pro stacionární stavy.
Uvažujme atom vodíku z pohledu kvantové mechaniky. Dosadíme hodnotu potenciální energie elektronu v jaderném poli do stacionární Schrödingerovy rovnice:
Rovnice (11) má v tomto případě tvar:
Protože pole jádra atomu vodíku má sférickou symetrii daná rovnice je vhodné řešit ve sférickém souřadnicovém systému (r, j, Q). Řešení se provádí metodou separace proměnných, reprezentujících vlnovou funkci jako součin dvou funkcí, z nichž jedna závisí pouze na r, a druhý pouze z úhlových souřadnic j, Q.
y(r,Q,j) = R(r)×Y(Q,j)
S touto reprezentací je pravděpodobnost, že částice má hodnoty souřadnic v rozsahu od r před r+dr určeno čtvercem |rR| 2.
Řešení Schrödingerovy rovnice (12) vede k následujícím hlavním výsledkům.
1. Vodíkový elektron má diskrétní energetické spektrum. Vlastní hodnoty energie jsou určeny výrazem:
Kde n- hlavní kvantové číslo s libovolnou kladnou celočíselnou hodnotou ( n = 1, 2, 3, ...).
2. Orbitální moment hybnosti elektronu L může nabývat pouze následující diskrétní řady hodnot:
Kde l- orbitální (azimutální) kvantové číslo. Může nabývat libovolné hodnoty z následujícího: l= 0, 1, 2, 3, ..., (n-1) - pouze n hodnot. Podmínka s l= 0 se obvykle nazývá s - stav, s l = 1 – R- stav, c l= 2 – d-stav, s l = 3 – F- stav atd.
3. Orbitální moment hybnosti lze vzhledem k fyzikálně zvolenému směru v prostoru (z) orientovat pouze tak, že jeho průmět do tohoto směru je násobkem , tedy
m- nazývané magnetické kvantové číslo. Může nabývat následujících hodnot:
m=0, ±1, ±2, …, ± l- celkem (2 l+ 1) hodnoty.
Stav elektronu v atomu vodíku je tedy určen třemi kvantovými čísly – hlavním n, která určuje energii státu E n; azimutální l, charakterizující moment hybnosti elektronu L a magnetické m, který určuje orientaci L vzhledem ke zvolenému směru v prostoru. Státy jsou popsány svými vlastními vlnové funkce Yn, l, m což jsou řešení Schrödingerovy rovnice (18).
Schrödingerova rovnice je nerelativistická. Zohlednění relativistických efektů (Diracova rovnice) vede k existenci vlastního momentu hybnosti elektronu – spinu, určeného kvantovým číslem s, rovná se 1/2:
Projekce rotace do zvoleného směru z může nabývat 2s + 1= 2 různé hodnoty:
kde je kvantové číslo projekce spinu elektronu. Vezmeme-li v úvahu spin, je stav elektronu v atomu charakterizován čtyřmi kvantovými čísly: ke kvantovým číslům n, l, m mělo by být přidáno spinové kvantové číslo slečna.
Všimněte si té diskrétnosti fyzikální veličiny, charakteristická pro jevy atomového světa, v kvantové mechanice přirozeně vyplývá z řešení Schrödingerovy (Diracovy) rovnice, zatímco v Bohrově teorii ji bylo nutné zavést pomocí dodatečných podmínek v podstatě neklasického charakteru.
1 možnost
1. K jakému typu záření (tepelnému nebo luminiscenčnímu) patří záře:
1. lití kovu rozžhaveného; 2. zářivky;
3. hvězdy; 4. některé hlubokomořské ryby.
A. 1, 3 – termální, 2, 4 – luminiscenční; B. 1, 2, 3, 4 – pouze termika;
V. 1, 2, 3, 4 a termální a luminiscenční; D. 1, 4 – termální, 2, 3 – luminiscenční.
2. Záře pevné látky, způsobené bombardováním jejich elektrony, se nazývá:
A. elektroluminiscence B. katodoluminiscence C. tepelná záře
D. chemiluminiscence D. fotoluminiscence
3. Tělesa skládající se z excitovaných molekul, které spolu neinteragují, emitují
4. Která tělesa se vyznačují pruhovaným absorpčním a emisním spektrem?
B. Pro kterékoli z výše uvedených těles D. Pro zahřáté atomové plyny
D. Pro zředěné molekulární plyny
5. Spojitá (pevná) spektra jsou dána umístěnými tělesy
A. pouze v pevném stavu při velmi vysokých teplotách;
B. v plynném molekulárním stavu, ve kterém jsou molekuly nevázané nebo slabě vázané
spolu;
V. v plynném atomovém stavu, ve kterém atomy prakticky neinteragují
spolu;
G. v pevném nebo kapalném stavu, stejně jako vysoce stlačené plyny
6. Látka v plynném atomovém stavu dává:
A. spojité spektrum záření B. čárové spektrum záření
B. pruhované emisní spektrum D. kontinuální absorpční spektrum
D. pruhované absorpční spektrum
7. Spektrální analýza umožňuje určit:
A. chemické složení látky; B. rychlost pohybu těla; B. objem těla;
G. tělesná hmotnost; D. tělesná teplota; E. tlak vzduchu.
8. Obrázek ukazuje fotografie absorpčních spekter Na, H, Ca a neznámého plynu. Podle
Na základě spekter lze konstatovat, že neznámý plyn obsahuje znatelné množství
A. sodík (Na), vodík (H), vápník (Ca); B. vodík (H) a vápník (Ca);
B. sodík (Na) a vodík (H); G. sodík (Na) a vápník (Ca
Fyzika 11 Test „Druhy záření. Spectra"
Možnost 2
1. Záření, při kterém je energie ztracená atomy pro vyzařování světla kompenzována energií
tepelný pohyb atomů (nebo molekul) vyzařujícího tělesa se nazývá:
A. elektroluminiscence B. fotoluminiscence C. tepelné záření
D. katodoluminiscence D. chemiluminiscence
2. Elektroluminiscence je záření produkované energií
A. elektrony bombardující povrch vyzařující pevné látky;
B. elektrické pole, který je sdělován elektronům srážejícím se s atomy
vyzařující těleso;
B. elektromagnetické vlny pohlcované atomy vyzařujícího tělesa;
G. uvolněný při elektrické interakci iontů vyzařujícího tělesa
3. Excitované atomy vysoce zředěných plynů a nenasycených par, ne
při vzájemné interakci, vyzařují spektra:
A. pruhovaný; B. pevná látka; V. vládl.
4. Pevné látky sestávající z excitovaných, neustále interagujících molekul a iontů.
vyzařovat spektra:
A. pruhovaný; B. pevná látka; V. vládl.
5. Která tělesa se vyznačují čárovým absorpčním a emisním spektrem?
A. Pro ohřáté pevné látky B. Pro ohřáté kapaliny
B. Pro zředěné molekulární plyny D. Pro zahřáté atomové plyny
D. Pro kterýkoli z výše uvedených orgánů
6. Látka v plynném stavu, pokud se plyn skládá z molekul slabě vázaných na sebe, dává:
A. lineární absorpční spektrum B. kontinuální emisní spektrum
B. pruhované emisní spektrum D. čárové emisní spektrum
D. spojité absorpční spektrum
7. Spektrální analýza je
A. metoda stanovení typu záření (tepelného, luminiscenčního atd.) podle typu spektra;
B. způsob stanovení chemického složení látky z jejího spektra;
B. analýza vlastností hranolu nebo difrakční mřížky;
D. definice skupenství látky podle jejich spektra
8. Obrázek ukazuje fotografie emisních spekter H, He, Sr a neznámého plynu. Podle vzhledu
spektr, lze konstatovat, že neznámý plyn obsahuje znatelné množství
A. vodík (H) a helium (He); B. vodík (H), stroncium (Sr) a helium (He);
B. stroncium (Sr) a vodík (H); G. stroncium (Sr) a helium (He)
Část A. Vyberte správnou odpověď:
A) Zářivka
B) TV obrazovka
B) Infračervený laser
D) Žárovka
A) Pro zahřáté pevné látky
B) Pro ohřáté kapaliny
A) Pro zahřáté pevné látky
B) Pro ohřáté kapaliny
D) Pro zahřáté atomové plyny
Část B. Pro každého
A) Spojité spektrum
B) Čárové spektrum
B) Pásmové spektrum
D) Absorpční spektra
Test Fyzika 11 „Typy záření a spektra“
Část A. Vyberte správnou odpověď:
A1. Záření kterého tělesa je tepelné?
A) Zářivka
B) TV obrazovka
B) Infračervený laser
D) Žárovka
A2. Jaká tělesa se vyznačují pruhovanými absorpčními a emisními spektry?
A) Pro zahřáté pevné látky
B) Pro ohřáté kapaliny
B) Pro kterýkoli z výše uvedených orgánů
D) Pro zahřáté atomové plyny
D) Pro zředěné molekulární plyny
A3. Která tělesa se vyznačují čárovým absorpčním a emisním spektrem?
A) Pro zahřáté pevné látky
B) Pro ohřáté kapaliny
B) Pro zředěné molekulární plyny
D) Pro zahřáté atomové plyny
D) Pro kterýkoli z výše uvedených orgánů
Část B. Pro každého charakteristiky vyberte vhodný typ spektra
- Spektra se získávají průchodem světla ze zdroje vytvářejícího spojité spektrum látkou, jejíž atomy jsou v neexcitovaném stavu
- Skládá se z jednotlivých čar různé nebo stejné barvy, které mají různá umístění
- Vyzařujte zahřáté pevné látky a kapalné látky, plyny zahřáté pod vysokým tlakem.
- Uveďte látky, které jsou v molekulárním stavu
- Emitované plyny a parami o nízké hustotě v atomovém stavu
- Skládá se z velké číslo těsně rozmístěné čáry
- Totéž pro různé látky, proto je nelze použít ke stanovení složení látky
- Jedná se o soubor frekvencí absorbovaných danou látkou. Látka absorbuje ty čáry spektra, které vyzařuje a je zdrojem světla
- Jedná se o spektra obsahující všechny vlnové délky určitého rozsahu.
- Umožňuje posoudit chemické složení světelného zdroje pomocí spektrálních čar
A) Spojité spektrum
Možnost 1
Fyzika. Test „Typy záření a spektra“
A) Zářivka B) TV obrazovka
A) Pro ohřáté pevné látky B) Pro ohřáté kapaliny
A) Spojité spektrum
B) Čárové spektrum
B) Pásmové spektrum
D) Absorpční spektra
Možnost 2
Fyzikální test "Typy záření a spektra"
Část A. Vyberte správnou odpověď:
A1. Záření kterého tělesa je tepelné?
A) Zářivka B) TV obrazovka
C) Infračervený laser D) Žárovka
A2. Jaká tělesa se vyznačují pruhovanými absorpčními a emisními spektry?
A) Pro ohřáté pevné látky B) Pro ohřáté kapaliny
C) Pro kterékoli z výše uvedených těles D) Pro zahřáté atomové plyny
D) Pro zředěné molekulární plyny
A3. Která tělesa se vyznačují čárovým absorpčním a emisním spektrem?
A) Pro ohřáté pevné látky B) Pro ohřáté kapaliny
C) Pro zředěné molekulární plyny D) Pro zahřáté atomové plyny
D) Pro kterýkoli z výše uvedených orgánů
Část B. Pro každou charakteristiku vyberte vhodný typ spektra
Spektra se získávají průchodem světla ze zdroje vytvářejícího spojité spektrum látkou, jejíž atomy jsou v neexcitovaném stavu
Skládá se z jednotlivých čar různé nebo stejné barvy, které mají různá umístění
Vydávají zahřáté pevné a kapalné látky, plyny zahřáté pod vysokým tlakem.
Uveďte látky, které jsou v molekulárním stavu
Emitované plyny a parami o nízké hustotě v atomovém stavu
Skládá se z velkého počtu těsně vedle sebe umístěných čar
Jsou stejné pro různé látky, nelze je tedy použít ke stanovení složení látky
Jedná se o soubor frekvencí absorbovaných danou látkou. Látka absorbuje ty čáry spektra, které vyzařuje a je zdrojem světla
Jedná se o spektra obsahující všechny vlnové délky určitého rozsahu.
Umožňuje posoudit chemické složení světelného zdroje pomocí spektrálních čar
A) Spojité spektrum
B) Čárové spektrum
B) Pásmové spektrum
D) Absorpční spektra
Jedná se o soubor frekvencí absorbovaných danou látkou. Látka absorbuje ty čáry spektra, které vyzařuje a je zdrojem světla. Absorpční spektra se získávají průchodem světla ze zdroje, který vytváří spojité spektrum látkou, jejíž atomy jsou v neexcitovaném stavu.
Collection.edu.ru/dlrstore/9da42253-f b6-b37f-a7c9379ae49f/9_123.swf collection.edu.ru/dlrstore/9da42253-f b6-b37f-a7c9379ae49f/809.2kolekcedudr. 17e postel-8a5c19e34f0f/9_121.swf collection.edu.ru/dlrstore/9276d80c-17e postel-8a5c19e34f0f/9_121.swf Opera -
Namířit velký dalekohled na krátký záblesk meteoru na obloze je téměř nemožné. Ale 12. května 2002 měli astronomové štěstí – jasný meteor náhodou proletěl přesně tam, kam mířila úzká štěrbina spektrografu na observatoři Paranal. V tomto okamžiku spektrograf zkoumal světlo.
Metoda pro stanovení kvality a kvantitativní složení Analýza látky podle jejího spektra se nazývá spektrální analýza. Spektrální analýza je široce používána při průzkumu nerostů k určení chemického složení vzorků rud. Používá se ke kontrole složení slitin v metalurgickém průmyslu. Na jeho základě bylo stanoveno chemické složení hvězd atd.
Ve spektroskopu je světlo ze studovaného zdroje 1 směrováno do štěrbiny 2 trubice 3, nazývané trubice kolimátoru. Štěrbina vyzařuje úzký paprsek světla. Na druhém konci tubusu kolimátoru je čočka, která převádí rozbíhavý paprsek světla na paralelní. Paralelní paprsek světla vycházející z trubice kolimátoru dopadá na okraj skleněného hranolu 4. Protože index lomu světla ve skle závisí na vlnové délce, paralelní paprsek světla, skládající se z vln různých délek, se rozkládá na rovnoběžné paprsky světla různých barev, putující různými směry. Čočka 5 dalekohledu zaostřuje každý z paralelních paprsků a vytváří obraz štěrbiny v každé barvě. Vícebarevné obrazy štěrbiny tvoří vícebarevné pásové spektrum.
Collection.edu.ru/dlrstore/aaf2f40a-ba0d-425a- bd b13b87/9_158.swf collection.edu.ru/dlrstore/aaf2f40a-ba0d-425a- bd b13b87/9_158.swf
Spektrum lze pozorovat okulárem používaným jako lupa. Pokud potřebujete vyfotografovat spektrum, pak se fotografický film nebo fotografická deska umístí na místo, kde se získá skutečný obraz spektra. Zařízení pro fotografování spekter se nazývá spektrograf.
Nový spektrograf NIFS se připravuje k odeslání na observatoř Gemini North (foto z webu au)
Pouze dusík (N) a draslík (K) pouze hořčík (Mg) a dusík (N) dusík (N), hořčík (Mg) a další neznámé látky hořčík (Mg), draslík (K) a dusík (N) Obrázek ukazuje absorpční spektrum neznámého plynu a absorpční spektra par známých kovů. Na základě analýzy spekter lze konstatovat, že neznámý plyn obsahuje atomy A B C D
VODÍK (H), HÉLIUM (HE) A SODNÍK (NA) SODNÍK (NA) A VODÍK (H) POUZE SODÍK (NA) A HÉLIUM (NE) POUZE VODÍK (H) A HÉLIUM (NE) POUZE Obrázek ukazuje absorpční spektrum neznámých plynů a absorpčních spekter atomů známých plynů. Na základě analýzy spekter lze konstatovat, že neznámý plyn obsahuje atomy: A B C D
