3.Оптичні спектри. Поглинання і випромінювання світла атомом

Електромагнітне випромінювання будь-якої природи може характеризуватися спектром коливань, на які можна розкласти його за довжиною хвилі або частотою. Залежно від характеру поширення електромагнітних хвиль оптичні спектри поділяють на спектри випромінювання, поглинання, розсіювання і відбиття.

Оптичні спектри випромінювання спостерігаються у джерел світла, які випускають фотони внаслідок збудження речовини під впливом зовнішнього чинника. Наприклад, розжарена вольфрамова нитка електричної лампи випромінює світло внаслідок її нагрівання при проходженні по ній електричного струму. Останні три види спектрів спостерігаються в разі проходження випромінювання крізь речовину, внаслідок чого відбувається його поглинання, розсіювання і відбивання залежно від властивостей і довжини хвилі або її частоти .

Оптичні спектри поглинання, розсіювання і відбивання характеризують властивості речовини. Оптичні спектри спостерігають візуально за допомогою спектральних приладів і фіксують, як правило, фотографічним способом або за допомогою фотоелементів. Спектри можуть бути:

а) суцільними,  що  охоплюють  широкий діапазон довжин хвиль;

б) лінійчастими, що складаються з окремих спектральних ліній певної довжини хвилі ;

в) смугастими — набір окремих смуг, що належать певному інтервалу довжин хвиль.

Суцільний оптичний спектр спостерігається за умови термодинамічної рівноваги речовини і випромінювання за даної температури. Проте в реальних умовах досягти такого стану практично неможливо, тому найчастіше одночасно спостерігають різні види спектрів. Так, за звичайних умов сонячне світло бачать у спектроскопі у вигляді суцільного спектра з темними лініями поглинання.

Механізм утворення суцільних оптичних спектрів пояснює класична електродинаміка. За її тлумаченням поглинуте електромагнітне випромінювання збуджує в речовині хвилі, частота яких відповідає частоті падаючого світла. Проте класична фізика виявилася безпорадною у поясненні лінійчастих і смугастих спектрів випромінювання і поглинання світла атомами і молекулами. їхню природу можна зрозуміти лише на основі квантових постулатів Бора та інтерпретації квантових переходів між рівнями енергії в атомах і молекулах.

За класичною теорією монохроматичне світло збуджуватиме хвилі певної частоти, а природне світло утворюватиме суцільний спектр випромінювання. Для наочного ілюстрування станів атома використовують енергетичні діаграми, на яких рівні енергії позначають горизонтальними лініями (мал. 7.8).

Доволі довго атом може перебувати лише в основному стаціонарному стані, що характеризується мінімальною енергією Е₁. Решта станів атома чи молекули (E₂, Е₃, ..., Е_n) є стаціонарними лише умовно, і тому їх називають збудженими станами. Наприклад, якщо незбуджений атом поглине квант h, то він може перейти в умовно стабільний, збуджений стан Е₃, але згодом, випромінивши квант частотою атом може перейти в більш стабільний стан Е₂. Слід підкреслити, що випромінювання відбувається за квантового переходу атома зі стану з більшою енергією у стан з меншою енергією, і навпаки, поглинання енергії атомом супроводжується його переходом зі стану з меншою енергією у стан з більшою енергією.

Молекулярні спектри характеризуються сукупністю смуг, за набором яких можна одержати інформацію про склад і структуру молекули, стан її електронних оболонок. Тому їх широко використовують у хімії, спектральному аналізі речовин тощо.

ЗАПИТАННЯ

1. Які відкриття стали поштовхом до розвитку сучасної фізики?

2. У чому полягає суть дослідів Резерфорда?

3. Чим відрізняється ядерна модель атома, запропонована Е. Резерфордом, від «пудингової» моделі Томсона?

4. Чому окремі альфа-частинки в дослідах Резерфорда відхилялися від прямолінійної траєкторії руху?

5. Чому виникли труднощі у класичному поясненні ядерної моделі атома? У чому вони виявилися?

6. Чому постулати Бора вважають квантовими?

7. Які дослідні факти підтверджують справедливість квантових постулатів Бора?

8. У чому полягає суть досліду Франка і Герца?

9. Яке значення мають квантові постулати Бора для сучасної фізики?

10. Які існують оптичні спектри залежно від характеру поширення електромагнітних хвиль?

11. Які бувають види спектрів?

12. Як можна пояснити природу лінійчастих спектрів?

13. Які переходи атома супроводжуються поглинанням світла, а які — випромінюванням?