Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Для изучения спектров, испускаемых различными источниками, применяют приборы, называемые спектрометрами. Если направить спектрометр на Солнце или электрическую лампу накаливания, можно увидеть полосу, в которой представлены все цвета спектра, плавно переходящие друг в друга. Такой спектр называют сплошным или непрерывным (рис. 110, А). Другой вид имеют спектры, испускаемые светящимися газами. Они состоят из чётко разграниченных линий. Каждая линия чётко отграничена от соседних линий чёрными полосами и представляет собой узкий интервал, в котором содержится излучение, которое соответствует определённой длине волны. Такой спектр принято называть линейчатым или прерывистым (рис. 110, Б). С помощью спектрометра можно исследовать как спектры испускания, так и спектры поглощения.

Первым исследователем, обратившим внимание на спектральные линии, был Йозеф Фраунгофер (1787–1826). В его честь эти линии были названы фраунгоферовыми линиями. В 1850 г. Густав Кирхгоф (1824–1887) и Роберт Бунзен (1811–1899) пришли к выводу, что каждый химический элемент имеет свой уникальный линейчатый спектр и, в частности, по спектру небесных светил можно определить их химический состав. В результате их исследований в науке появился новый метод, называемый спектральным анализом, с помощью которого можно определять состав веществ даже на больших расстояниях. С помощью этого метода инертный газ гелий был открыт на Солнце почти на тридцать лет раньше, чем на Земле, и именно в честь Солнца получил своё название.

Проверьте свои знания

1. Как называется разложение спектра на различные цветовые составляющие?

2. Какие виды спектров могут быть характерными для физического тела?

3. От чего зависит воспринимаемый глазом цвет предмета?

4. Для каких целей используют спектральный анализ?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Зажгите газовую горелку и бросьте в её пламя щепотку поваренной соли. Вы увидите, как пламя окрасится в жёлтый цвет. Как вы думаете, почему? В дальнейшем можно поочерёдно бросать в пламя различные порошки или брызгать различными негорючими жидкостями. Пронаблюдайте, как в каждом случае будет изменяться цвет пламени.

Рис. 111. Иллюстрация к заданию 3

3. Выполните практическую работу «Разложение света». Для этого вам понадобится кусок картона, обычный стакан с водой и белая бумага (рис. 111). Прорежьте в картоне длинную узкую щель. На солнечном месте поставьте на белую бумагу стакан, а между ним и солнцем – картон с щелью. Вы увидите, что солнечные лучи, проходя через щель, а затем через воду в стакане, разлагаются на разные цвета. На бумаге появится последовательность цветных полосок.

§ 43 Атомная модель Бора

О, Ты, непостижимый Атом,Шедевр творения Творца!Где тот Материи анатом,Который смог бы до конца,Чрез формулу иль созерцаньем,Иль опытом, когда-нибудьПостичь Божественную СутьТебя – основы Мирозданья?В каких начертано скрижаляхТо Слово, что в Тебе звучит?То Слово, что в Тебе искалиПервопроходец Демокрит,Отец Системы Менделеев,Твою Модель создавший Бор,И сонмы прочих галилеевНайти мечтали с давних пор?Джанто

Спектральный анализ в сочетании с квантовой теорией позволили датскому физику Нильсу Бору (1885–1962) предложить в 1913 г. новую модель атома. Мы уже говорили о том, что главный недостаток модели атома, предложенной Резерфордом, заключался в том, что электрон, двигаясь по орбите вокруг атомного ядра, должен постоянно излучать энергию и, потеряв её, через самое непродолжительное время упасть на ядро. Бор предположил, что электроны в атомах могут находиться в некоторых стабильных состояниях, т. е., согласно термину Резерфорда, на определённых орбитах. Эти орбиты не могут находиться на любом расстоянии от ядра, для них существует набор определённых фиксированных положений, которые называют квантовыми уровнями. Энергия электрона зависит от расстояния его орбиты до атомного ядра. Электроны, находящиеся на таких орбитах, не излучают электромагнитных волн, поскольку, теряя энергию, он должен перейти на более низкую орбиту.

Однако переход электронов с более высокой орбиты на более низкую возможен. Это явление называется квантовым скачком, который, как и всё в квантовой физике, трудно представить наглядно. Электрон мгновенно исчезает с одной орбиты и возникает на другой. Если эта новая орбита имеет более низкий уровень, то электрон теряет энергию, которая испускается атомом в виде кванта излучения, т. е. фотона (рис. 112). Частота этого излучения равна, как мы знаем, энергии кванта, делённой на постоянную Планка. Если разность энергий между орбитами мала, то происходит излучение в красной области спектра, а если велика, то в синей или даже ультрафиолетовой его области.

Рис. 112. Схема испускания и поглощения фотона при переходе электрона на другую орбиту

Соответственно, для того чтобы совершить квантовый скачок на более высокую орбиту, электрон должен поглотить квант энергии. Величина этой энергии определяет орбиту, на которой этот электрон окажется. Электроны, следовательно, могут двигаться в атоме вверх и вниз скачками с одного квантового уровня на другой, не занимая промежуточных положений.

Это подобно тому, как постоялец в гостинице может переехать в другой номер, находящийся на несколько этажей выше или ниже прежнего, но никогда не согласится ночевать на лестнице. Аналогию можно продолжить, если предположить, что в данном отеле комфортность, а следовательно, и цена номеров увеличивается с повышением этажа проживания. Тогда при переезде на более низкий этаж постоялец получит разницу в стоимости, а при переселении наверх должен будет эту разницу доплатить.

Такое представление об атоме позволяет понять, почему испускание и поглощение света происходит не непрерывно, а отдельными участками, которые образуют линии спектра. Переходя с орбиты на орбиту, электрон испускает или поглощает не любое количество энергии, а только такое, которое соответствует разности квантовых уровней этих орбит. Допустим, энергия электрона, находящегося на самой высокой либо ~ орбите n, равна E_n , на орбите m – E_m, а на орбите k – E_k . С орбиты E_n электрон может перейти либо на орбиту E_m, либо на орбиту E_k. При этом он может испустить фотоны с энергией либо (E_n – E_m), либо (E_n – E_k), либо (E_m – E_k) без всяких промежуточных значений. Точно так же, поднимаясь с более низкой орбиты на более высокую, он может поглотить только те фотоны, энергия которых равна либо (E_n – E_m), либо (E_n – E_k). Фотоны, обладающие другими значениями энергии, он оставит без внимания. Если номер на первом этаже отеля стоит 1000 рублей, на втором – 2000, а на третьем – 5000 рублей, то при переезде постоялец должен будет заплатить (или получить) 1000, 3000 или 4000 рублей. Никакие другие суммы при таком расчёте не могут быть использованы.

Всем известно, что многие вещества начинают светиться, т. е. испускать свет, в процессе их нагревания. Это происходит потому, что, приобретая энергию, атомы начинают совершать колебательные движения с большой амплитудой и чаще сталкиваются друг с другом. Потребляя тепловую энергию, их электроны переходят на более высокие орбиты. Долго удержаться на этих орбитах они не могут и возвращаются на освободившиеся низкие орбиты, испуская полученную энергию в виде фотонов света. Чем больше полученная энергия, тем больше будет и энергия испущенного фотона, а следовательно, тем больше будет и частота испускаемого излучения. Эта закономерность закрепилась в народном выражении: «раскалиться не докрасна, а добела». Она объясняется тем, что при небольшой степени нагрева предмет (например, металл) содержит мало энергии и её хватает только на низкочастотное красное излучение. По мере увеличения температуры в испускаемом спектре появляются волны, обладающие всё большей частотой, и в результате в нём начинают присутствовать все области спектра. Поэтому излучение становится белым. При ещё большем нагреве можно сдвинуть спектр в область ещё больших частот и получить голубое излучение. В астрономии известно, что цвет наблюдаемых звёзд зависит от их температуры. Самые холодные представляются нам красными, те, что погорячее, – белыми, а самые раскалённые – голубыми.

Проверьте свои знания

1. От чего зависит энергия электрона в атоме?

2. Что происходит во время квантового скачка?

3. Что требуется для того, чтобы электрон переместился на более высокую орбиту?

4. Как зависит цвет испускаемого нагретым телом излучения от температуры этого тела?

§ 44 Основные понятия квантовой физики

Я смело могу сказать, что квантовой физики никто не понимает…И если вы просто согласитесь, что, возможно, природа ведёт себя именно таким образом, то вы увидите, что это очаровательная и восхитительная особа. Если сможете, не мучайте себя вопросом «Но как же так может быть?», ибо в противном случае вы зайдёте в тупик, из которого ещё никто не выбирался. Никто не знает, как же так может быть.

Р. Фейнман, лауреат Нобелевской премии, один из крупнейших специалистов в области квантовой физики